Detektoren für die Neutronenradiographie

Zum Einsatz in der Neutronenradiographie (NR) kommen Detektoren, die das zweidimensionale Strahlungsfeld senkrecht zur Strahlrichtung erfassen können. Deshalb sollte die Detektorfläche in der Grössenodnung oder grösser als der Strahlquerschnitt sein. Weitere Randbedingungen sind die geometrische und die zeitliche Auflösung des Detektors, die bei den unterschiedlichen Systemen sehr von einander abweichen können. Eine Übersicht dieser Freiheitsgrade ist für die gebräuchlichen Systeme in der folgenden Abbildung gegeben. Diese Eigenschaften werden vor allem vom Detektionsprozess, einer Kernreaktion mit den Neutronen, bestimmt.

Anwendungsbereiche von Detektoren der Neutronenradiographie hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Auflösung (unter Bedingungen an der Radiographiestation NEUTRA, SINQ, PSI)

Die primären Nachweisreaktionen für thermische Neutronen sind vor allem Einfangsreaktionen in einem neutronenabsorbierenden Material, welches eine Strahlung aussendet, die dem eigentlichen (sekundären) Nachweis dient. Da Neutronen keine Ladung tragen, ist ein direkter Nachweis durch Ionisation nicht möglich.

Hier die wesentlichen Nachweisreaktionen (für thermische und kalte Neutronen):

³He + ¹n ® ³H + ¹p + 0.77 MeV

⁶Li + ¹n ® ³H + ⁴He + 4.79 MeV

¹⁰B + ¹n ® ^{(07%) 7}Li + ⁴He + 2.78 MeV
¹⁰B + ¹n ® ^{(93%) 7}Li* + ⁴He + 2.30 MeV ® ⁷Li + ⁴He + g (0.48 MeV)

¹⁵⁵Gd + ¹n ® ¹⁵⁶Gd + g + Konversionselektronen (7.9 MeV)

¹⁵⁷Gd + ¹n ® ¹⁵⁸Gd + g + Konversionselektronen (8.5 MeV)

Der Einsatz von Spaltmaterial (U, Pu) zum Nachweis von Neutronen ist in der NR nicht gebräuchlich.

Die Verwendung dieser Nachweisreaktionen für die Bildgebung in der Radiographie kann in verschiedener Weise stattfinden:

• durch Lichtanregung in einem Szintillatormaterialdurch Schwärzung eines Filmes

• durch Anregung von elektronischen (metastabilen) Zuständen in Kristallen (Imaging Plates)

• durch Bildung von Mikrospuren in Folien (track-etch Verfahren)

• durch Ladungstrennung in einem Halbleiter

Auf diese Weise haben sich die folgenden Radiographiedetektorsysteme in den letzten Jahren entwickelt und sind für unterschiedliche Anwendungen im Einsatz:

Röntgenfilm in Verbindung mit Konverterfolien aus Gd, Dy, oder In. Die Anregung bzw. Schwärzung der Silberverbindungen erfolgt durch Gamma- und Betastrahlung sowie durch Konversionselektronen.
Hochempfindliche, meist gekühlte CCD-Kameras, die das Licht eines neutronenempfindlichen Szintillators (Li-6 oder Gd als Absorber) detektieren.
Unter Verwendung von Bildverstärkern (Röhren oder Micro-Channel-Plates) kann die Lichtausbeute sehr vergrössert werden, so dass entweder lichtschwächere Kameras verwendet werden können oder eine höhere Bildfolge möglich wird.
Imaging Plates enthalten neben dem Anregungsmaterial BaFBr:Eu 2+, welches die Photoluminiszenz bewirkt, Gd als Neutronenabsorber. In einem Imaging-Plate-Scanner wird direkt die latente Bildinformation von den Platten in digitaler Form nach Anregung durch ein Lasersignal extrahiert.
Track-etch-Folien werden bei der Einfangreaktion im B-10 (Detektormaterial) durch das entstehende a-Teilchen "angeritzt". Diese Spuren lassen sich mittels Nachätzen (Natron- oder Kalilauge) so vergrössern, dass sie makroskopisch sichtbar werden und ein neutronisches Bild liefern, das mittels optischer Systeme verstärkt oder digitalisiert wird.
Flächendetektoren auf der Basis von amorphen Silizium bringen direkte digitale Information, wobei keine optische Vergrösserung wie bei der Kamera mehr nötig ist.

Eine Übersicht wichtiger Eigenschaften dieser Systeme ist in der Tabelle zusammengefasst: