Detectando a los esquivos neutrones

Si le preguntas a un químico que es un neutrón, te dirá que es una partícula subatómica, un nucleón, presente en el núcleo atómico de todos los átomos excepto el hidrógeno. También te dirá que no tiene carga neta y su masa es un poco superior a la del protón (un 0,13 % mayor). Esta partícula es la que nos define los isótopos (núcleos con igual número de protones y diferente de neutrones) de los elementos químicos. La cosa cambia un poco si le preguntas a un físico. Para él un neutrón es una partícula subatómica perteneciente al grupo de los hadrones formada por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero, por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba [1].

Como los quarks tipo abajo tienen isospín -1/2 y el quark tipo arriba tiene un isospín 1/2, el isospín del neutrón es -1/2, por tanto el espín neto del neutrón 1/2, con lo cual es un fermión. Son afectados por la gravedad, la fuerza nuclear débil (responsable de las desintegraciones radiactivas por la unión de los quarks entre ellos) y la fuerza nuclear fuerte (responsable de la unión de los nucleones entre ellos).

La masa de un neutrón es de 939.56536 ± 0.00008 MeV, 1.0086649156 ± 0.0000000006 u [2] o como leemos en wikipedia 1.67492729 × 10^-27 kg.

Fuera del núcleo atómico, donde no actúa la fuerza nuclear fuerte, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 885,7 ± 0,8 s. Al descomponerse, cada neutrón libre emite un protón, un electrón y un antineutrino electrónico.

Esto es debido a que el neutrón, al ser una partícula algo más másica que el protón, tiene una mayor energía [( masa neutrón – masa protón) ·c² = 0,782 MeV ], lo que lo convierte en una patícula inestable [3].

Descubrimiento del neutrón

El primer indicio de la existencia del neutrón se produjo en 1930, cuando Walther Bothe y Becker, H. encontró que cuando la radiación alfa (núcleos de helio) incidía sobre elementos como el litio y el boro se emitía un nuevo tipo de radiación. Lo primero que pensaron es que se trataba de radiación gamma, pero mucho más penetrante que las que se conocían hasta ese momento, ya que atravesaba una láminas de plomo sin ningún problema.

Posteriormente, en 1932, Irene Joliot-Curie y Joliot Frederic, haciendo incidir esta nueva radiación en un bloque de parafina, observaron que se producían protones de alta energía, por lo que plantean una nueva teoría sobre la naturaleza de esta nueva radiación, que aunque no refuta la hipótesis de la radiación gamma, no la soporta todo bien. Ese mismo año James Chadwick propuso una explicación alternativa: la nueva radiación era una partícula sin carga, con un tamaño similar al del protón. Chadwick fue capaz de verificar experimentalmente la existencia del neutrón.

Como los neutrones tienen masa, tienen energía cinética. Los podemos clasificar en:

Neutrones rápidos: tienen una energía mayor que 1 eV.
Neutrones lentos: tienen una energía menor o igual a 0,4 eV.
- Neutrones activos: tienen una energía de alrededor de 0,2 eV.
- Neutrones térmicos: tienen una energía de 0,025 eV a 0’1 eV.
- Neutrones fríos: tienen una energía de 5·10^-5 eV a 0,025 eV.
- Neutrones muy fríos: tienen una energía de 3·10^-7 eV a 5·10^-5 eV.
- Neutrones ultrafríos: tienen una energía menor que 3·10^-7 eV.

Tipos de principales interacciones de neutrones

Debido a que los neutrones no tienen carga, su interacción con la materia se realiza a nivel del núcleo atómico de los elementos que la componen. Estas interacciones sin colisiones, capturas o absorciones y cascadas hadrónicas:

Colisiones elásticas: A(n,n)A. Se dan cuando el neutrón que colisiona mantiene su identidad y el núcleo colisionado queda en un nivel energético fundamental. El neutrón le cede una parte de su energía cinética al núcleo pero sin llegar a la energía necesaria para elevar el núcleo a un estado excitado. El neutrón, tras sucesivos choques, va perdiendo su energía cinética Este caso se da en las interacciones de moderación de neutrones. El caso típico es el del carbono, que tiene su primer nivel excitado a 4,43 MeV. Si el neutrón que choca tiene menor energía, forzosamente es una colisión elástica. Por esto el grafito es un muy buen moderador, al igual que el deuterio.
Colisiones inelásticas: A(n,n’)A*. Se da cuando el neutrón tiene más energía que la necesaria para elevar el núcleo a un nivel excitado.
Captura de neutrones: A(n,2n’)B, A(n,p)B, A(n,d)B, A(n,a)B, A(n,t)B, A(n,ap)B, etc. Se da cuando un neutrón choca con un núcleo y tiene lugar una reacción nuclear del tipo captura radiactiva, emisión de partículas o fisión.
Producción de una cascada hadrónica: Cuando un neutrón tiene una energía cinética mayor de 100MeV, se puede producir lo que en física de partículas se llama cascada hadrónica. Consiste en una desintegración total del núcleo (protones y neutrones) en sus hadrones y recombinaciones de ellos (protones, neutrones, piones y kaones).

Detección de neutrones

Debido a que los neutrones no tienen carga, su detección mediante métodos de interacciónes eléctricas son inviable y se hace necesario el uso de métodos indirectos basados en el choque de los neutrones con los núcleos atómicos. Estas técnicas se dividen en tres categorías principales:

Reacciones de absorción: para detectar indirectamente neutrones lentos. Los más utilizados son ³He, ⁶Li, ¹⁰B y ²³⁵U.
Procesos de activación neutrónica: los neutrones reaccionan con absorbedores en una captura radiactiva, espalación o reacción similar, produciendo productos de reacción que luego se descomponen en algún momento posterior, liberando partículas beta o gammas. Se utilizan elementos como indio, oro, rodio, hierro, aluminio, niobio y silicio.
Reacciones de dispersión elásticas (también denominadas protón-retroceso): los neutrones de alta energía se detectan indirectamente a través de reacciones de dispersión elástica. Los neutrones chocan con el núcleo de átomos en el detector, transfiriendo energía a ese núcleo y creando un ion, que es detectado. Generalmente se utilizan materiales hidrogenados.

Principales núclidos para detectar neutrones y sus reacciones son:

³He + n –> ³H + p
⁶Li + n –> ³H + He
¹⁰B + n –> ⁷Li + He
¹⁰B + n –> ⁷Li + He + γ
¹¹³Cd + n –> ¹¹⁴Cd + γ
¹¹⁵In + n –> ¹¹⁶In + γ
¹⁵⁷Gd + n –> ¹⁵⁸Gd + γ
²³⁵U+ n –> ²³⁶U –> ⁹²Kr + ¹⁴¹Ba + 3n + γ

Tipos de detectores de neutrones

Cámaras de fisión o cámaras de ionización

Las llamadas cámaras de fisión o ionización son contadores proporcionales en cuyas paredes interiores va un recubrimiento que contiene el ²³⁵U. A la izquierda podemos ver un ejemplo de una cámara de fisión antigua de 1932. El uranio natural tiene una abundancia en ²³⁵U del 0,711%. El uranio cuando es golpeado por neutrones produce fragmentos de fisión que son partículas cargadas pesadas. Esto tiene una ventaja significativa. Las partículas cargadas pesadas (fragmentos de fisión) crean una señal de salida alta, porque los fragmentos depositan una gran cantidad de energía en un volumen sensible al detector. Esto permite una fácil discriminación de la radiación de fondo (radiación gamma por ejemplo). Esta importante característica puede usarse, por ejemplo, en una medición de potencia de un reactor nuclear, en la que el campo de neutrones está acompañado por un fondo gamma significativo. La reacción de fisión que tiene lugar es la siguiente:

A continuación, una cámara de fisión moderna, de la firma General Electric:

Detectores proporcionales

Los detectores proporcionales se pueden adaptar para detectar neutrones. Consisten en ánodo central rodeado por un gas encerrado en un tubo metálico donde se conecta el cátodo. Se aplica una diferencia de potencial entra el ánodo y el cátodo de varios cientos de voltios (generalmente 1500 – 2000 v). Esto hace que las partículas cargadas formadas durante el choque neutrón-núcleo se dirijan hacia el cátodo o el ánodo según su polaridad y sean detectadas.

Estos detectores solo contean eventos ionizantes, no pueden medir le energía del neutrón. Los núcleos más usados para este propósito son helio-3 y boro-10. Dado que estos materiales son más propensos a reaccionar con neutrones térmicos (es decir, con neutrones que han disminuido su equilibrio con su entorno), están típicamente rodeados por materiales moderadores para reducir su energía y aumentar la probabilidad de detección.

Un tipo de detector proporcional muy utilizado es el conocidísimo Geiger-Müller. Como vemos en el siguiente esquema [4] “Producción y propagación de avalanchas en un tubo Geiger-Müller” el choque le los neutrones en este tipo de detectores produce lo que se conoce como un “evento ionizante”, que desencadena una avalancha o cascada de reacciones que multiplican la energía liberada en ese choque inicial (en forma de fotones y partículas cargadas).

Este choque con su avalancha posterior producen el típico chasquido que se escucha en los contadores Geiger.

Tubos rellenos de ³He

Estos detectores están relleno de una mezcla de ³He y CO₂ a una presión aproximada de 10 atmósferas. Entran dentro del grupo de los detectores rellenos de gas. Su volumen interior es de 25 cc aproximadamente. Sirven para detectar neutrones térmicos o lentos, y suelen y suelen detectar aproximadamente el 77% de los neutrones térmicos. Esta eficiencia pasa a ser de tan solo un 2% para neutrones con 100 eV y 0,1% para neutrones de 10 Kev y 0,002% para neutrones de 1 Mev. Esta claro que son detectores casi exclusivamente de neutrones térmicos [5]

La reacción que se desarrolla en el interior del tubo es la siguiente:

En resumen el helio 3 captura un neutrón térmico expeliendo un protón, tritio y 0,765 MeV. Tienen la ventaja de ser prácticamente insensibles a los rayos gamma.

Tubos rellenos de ¹⁰B

Estos tubos se utilizan para detectar neutrones térmicos o lentos. Hay dos tipos de detectores de neutrones que utilizan ¹⁰B como núcleo que absorbe neutrones, los llamados detectores proporcionales recubiertos de boro o “boron lined proportional detectors” y los llamados detectores proporcionales rellenos de gas BF₃ o “BF₃ gas-filled proportional detectors”. Ambos tipos de detectores utilizan el boro enriquecido en un 99 % del isótopo ¹⁰B (en la naturaleza este isótopo sólo representa un 20 % del boro).

La reacción que se desarrolla en el interior del tubo es la siguiente:

Hay que tener en cuenta que el trifluoruro de boro es altamente tóxico, por lo que no es conveniente abrir el tubo de conteo.

Detectores de neutrones de centelleo

Este grupo de detectores de neutrones se basan en que el paso de los neutrones a través del material hace que estos pierdan energía, ya que ceden parte de esta al material centelleante, produciendo transiciones electrónicas a estados excitados. Posteriormente estos estados excitados vuelven a su estado fundamental emitiendo fotones, que pueden ser observados y relacionados [6]. Generalmente se utiliza litio-6, aunque otros materiales centelleantes usan gadolinio-157, indio-115 o cadmio-113.

Los materiales de centelleo utilizados para detectores de neutrones incluyen centelleadores orgánicos líquidos, cristales, plásticos polimerizados, vidrios y fibras de centelleo, casi todos basados en el isótopo 6 del litio, con diferentes materiales centelleantes dopados con tierras raras como europio o cerio. Estos dopantes se nombran poniendo :Eu detrás de la composición química del cristal.

A la izquierda vemos un tubo fotomultiplicador encima de un cristal de centelleo. El cristal, al emitir el haz de radiación, en este caso neutrones, provoca una emisión de fotones, que son captados por el fotomultiplicador y amplificados para que con una electrónica adecuada podamos contar los neutrones.

Detectores de vidrio centelleador

Los vidrio centelleantes trabajan incorporando ⁶Li y Ce en la composición del vidrio. Estos vidrios centelleadores están formados por un silicato de litio dopado con cerio. El litio puede estar presente en su proporción isotópica natural, enriquecido en ⁶Li al 95%, o agotado en ⁶Li (99.99% ⁷Li, isótopo más abundante del litio). Estos detectores pueden usarse para detectar neutrones y rayos gamma, que se distinguen típicamente usando discriminación de altura de impulso. La absorción de neutrones por el ⁶Li produce tritio, una partícula alfa y energía cinética. La partícula alfa y el tritio interactúan con la matriz de vidrio para producir ionización, que transfiere energía a los iones Ce³⁺ y da como resultado la emisión de fotones con longitud de onda de 390 nm a 600 nm cuando los iones Ce³⁺ de estado excitado vuelven al estado fundamental.

El proceso que tiene lugar en el seno del vidrio es el siguiente:

La principal ventaja de estos vidrios centelleadores es que tienen ³He o en ninguna materia prima que tenga disponibilidad limitada, ni contienen materiales tóxicos o regulados.

Cristales de centelleo para detectar neutrones

LiCaAlF₆ (LICAF) es un cristal de centelleo inorgánico sensible a neutrones que, como detectores de fibra de vidrio centelleantes sensibles a neutrones, hace uso de la capacidad de captura de neutrones por parte del ⁶Li. A diferencia de los detectores de fibra de vidrio centelleantes sin embargo el ⁶Li es parte de la estructura cristalina del centelleador dándole una densidad naturalmente alta de ⁶Li. Se añade un agente dopante para proporcionar al cristal sus propiedades centelleantes, dos agentes dopantes comunes son el Ce y Eu.

La principal ventaja del LiCaAlF₆ dopado con europio (LiCaAlF₆:Eu) es que por cada neutrón que absorbido se desprenden 30.000 fotones, lo que es 5 veces mayor que, por ejemplo, en las fibras de vidrio centelleantes sensibles a neutrones. En contrapartida, el largo tiempo de desintegración del LiCaAlF₆:Eu hace que sea menos adecuado para mediciones en entornos de alta radiación, en cambio, el LiCaAlF₆:Ce tiene un tiempo de decaimiento más corto pero sufre un menor rendimiento de luz.

Cs₂LiLaBr₆:Ce o CLLB es un detector de centelleo de neutrones y rayos gamma muy adecuado para instrumentos portátiles. Con el uso de una electrónica adecuada se pueden discriminar los picos de los rayos gamma de los picos de los neutrones, por lo que se elimina el uso de dos instrumentos diferentes. Otras composiciones posibles son: Cs₂LiYCl₆:Ce (CLYC), Cs₂LiYBr₆:Ce (CSYB), Cs₂LiLaCl₆:Ce,(CLLC), Cs₂LiLuCl₆:Ce (CLLUC) y Cs₂LiCeBr₆:Ce (CLCB), llamadas junto con el CLLB elpasolitas (la elpasolita es un haluros de fórmula química general NaK₂[AlF₆]). [7]

NaI:Tl y Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) son dos cristales centelleantes usados en aplicaciones médicas y escáners PET [8].

LiI:Eu es un centelleador utilizado principalmente para la detección de neutrones térmicos. Esta reacción es particularmente adecuada ya que no se libera rayos γ. El pico de los neutrones térmicos aparece con una energía equivalente de rayos γ de aproximadamente 3 MeV, lo que permite una discriminación efectiva contra todos los rayos Y naturales. Emite radiación lumínica a 470 nm. [9]

LiF/ZnS:Ag consiste en capas superpuestas de LiF y ZnS:Ag, lo que minimiza la respuesta a la radiación gamma. Los detectores acoplados a este cristal centelleante no requieren la electrónica de la discriminación de la forma del pulso, así que se puede utilizar una electrónica estándar. Tiene el inconveniente que es un cristal muy higroscópico, por lo que la humedad lo destruye, haciéndolo insensible a los neutrones.

Li-Glass:Eu consiste en un vidrio de oxido de silicio dopado con ⁶Li, que es el núclido que absorbe los neutrones y con cerio para activar la luminiscencia.

Otros cristales utilizados son Gd₂SiO₅:Ce (GSO), Li₆Gd(BO₃)₃:Ce (es un cristal especial, ya que combina el ⁶Li, el ¹⁵⁷Gd y el ¹⁰B), Li₆Y(BO₃)₃:Ce, Li₆LuBO₃)₃:Ce [10], entre otros muchos.

Plásticos de centelleo

Los plásticos de centelleo consisten en un polímero orgánico en el que se han introducido moléculas centelleantes . Estas moléculas pueden ser orgánicas o inorgánicas. Las moléculas inorgánicas son, generalmente, cristales inorgánicos como los vistos en el punto anterior, introducidos en un soporte plástico transparente. Un ejemplo de esto sería un plástico hidrogenado transparente que contiene como fósforo ZnS:Ag, utilizado para detectar neutrones rápidos, o ZnS:Cu en una matriz de plástico transparente para detectar neutrones térmicos. Otros muchos llevan una cantidad de ⁶Li para hacerlos más sensibles a los neutrones [11].

Las moléculas orgánicas son compuestos ricos en electrones π, como son el antraceno, naftaleno o estilbeno. La facilidad con la que se pueden conformar y fabricar hace que los centelleadores de plástico sean una forma extremadamente útil de centelleador orgánico. Tienen una longitud de onda de máxima emisión de alrededor de 425 nm (de ahí su color azulado) y como inconveniente, que son sensibles a los rayos X, rayos gamma, neutrones rápidos y partículas cargadas.

Estas moléculas orgánicas, al recibir el impacto de una radiación excitan sus electrones libres de valencia de los enlaces π y los elevan a un nivel superior E₁ pero además a un nivel vibracional excitado ν’=2. En este estado excitado, primero el electrón desciende dentro del nivel excitado al estado fundamental vibracional ν’=0 para luego descender al estado fundamental E₀emitiendo un fotón de luz.

Este descenso pasa por un estado vibracional excitado ν”=2 dentro del estado fundamental para posteriormente descender al estado vibracional fundamental. Estos tiempos de decaimiento son del orden de 10^-14segundos para la excitación, de 10^-12segundos para el decaimiento de los niveles vibracionales y de 10^-8 segundos para el decaimiento entre los niveles de energía con emisión de fotones. A este fenómeno se le conoce como principio de Franck-Condon.

Al igual que los vidrios centelleantes, los plásticos orgánicos de centelleo necesitan guías de luz y tubos fotomultiplicadores, además de ventanas especiales de entrada de radiación.

Detectores de neutrones de semiconductor

Debido a que los detectores sólidos presentan mayor densidad que los líquidos o gaseosos, la probabilidad de choque de un neutrón con un núcleo aumenta en este tipo de detectores, lo que les proporciona mejor resolución, una respuesta más rápida y una gran versatilidad geométrica. Por contra no podemos hacer una detector muy grande y los que se fabrican tienen una alta susceptibilidad a la degradación.

Existen diversos tipos de detectores de semiconductor, todos ellos basados en materiales semiconductores como el silicio o germanio. Los más utilizados son los detectores de diodo de silicio. También se utilizan los detectores de semiconductor de GeLi, CZT (CdZnTe) [12], HgI₂, SiC (carburo de silicio), diamante, etc, cuyo funcionamiento es similar al de diodo de silicio.

Detectores de neutrones de diodo de silicio

La mayoría de los materiales semiconductores convencionales tienen una muy baja probabilidad de interactuar con neutrones libres. La forma más directa de superar la baja probabilidad de interacción de neutrones con materiales semiconductores convencionales y mejorar la eficiencia de detección es integrar una capa de material reactivo de neutrones en la arquitectura del dispositivo semiconductor. Esta capa de material reactivo consiste en una película delgada de material reactivo de neutrones depositada en la superficie de un diodo semiconductor. Se usa frecuentemente ¹⁰B o ⁶Li debido a su estabilidad, grandes secciones de neutrones térmicos y productos de reacción primarios. Un esquema de este tipo de detectores podemos verlo a continuación:

Por ejemplo, en el caso de ¹⁰B, un neutrón incide sobre esta capa reactiva a los neutrones, generando, como productos de reacción primarios, un núcleo de helio (partícula α) e iones ⁷Li. Estos iones de ⁷Li viajarán al material semiconductor donde pueden crear pares de electrones/huecos (e-h). Dado que el detector normalmente funciona bajo polarización inversa, los pares de electrones-huecos generados viajaran a los contactos a los que se les aplica un campo eléctrico y podrán ser medidos [13].

Los detectores de neutrones de semiconductor basados en carburo de silicio (SiC) o diamante se basan en la siguiente reacción [14]:

Detectores de activación de neutrones

Las muestras de activación pueden colocarse en un campo de neutrones para caracterizar el espectro de energía y la intensidad de los neutrones. Se pueden usar reacciones de activación que tienen umbrales energéticos diferentes, incluyendo ⁵⁶Fe, ²⁷Al, ⁹³Nb o ²⁸Si.

Otros métodos de detección de neutrones

Otros métodos de detectar neutrones son:

Emulsiones sobrecalentadas: cuando un neutrón incide sobre una emulsión se forman burbujas por sobrecalentamiento. El número de burbujas es proporcional a la dosis de neutrones.
Retroceso del protón: Se hacen incidir neutrones sobre un gas que contiene H y se detectan los protones de retroceso.
Activación neutrónica: Muchos núcleos se vuelven radiactivos tras capturar neutrones. Método utilizado en reactores.