การตรวจจับนิวตรอนคือการตรวจจับนิวตรอน ที่พุ่งเข้าสู่ เครื่องตรวจจับที่ติดตั้งอย่างเหมาะสม ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การตรวจจับนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพนั้นมีสองด้านที่สำคัญ ได้แก่ ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ ฮาร์ดแวร์การตรวจจับหมายถึงชนิดของเครื่องตรวจจับนิวตรอนที่ใช้ (ปัจจุบันที่พบมากที่สุดคือเครื่องตรวจจับแบบสั่น ไหว ) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการติดตั้งระบบตรวจจับ นอกจากนี้ การตั้งค่าฮาร์ดแวร์ยังกำหนดพารามิเตอร์การทดลองที่สำคัญ เช่น ระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดกับเครื่องตรวจจับ มุมตันและการป้องกันเครื่องตรวจจับ ซอฟต์แวร์การตรวจจับประกอบด้วยเครื่องมือวิเคราะห์ที่ทำหน้าที่ต่างๆ เช่น การวิเคราะห์กราฟิกเพื่อวัดจำนวนและพลังงานของนิวตรอนที่พุ่งชนเครื่องตรวจจับ

อนุภาคอะตอมและอนุภาคย่อยอะตอมถูกตรวจจับได้จากสัญญาณที่พวกมันสร้างขึ้นผ่านปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อม ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นจากลักษณะพื้นฐานของอนุภาคเหล่านั้น

• ประจุ: นิวตรอนเป็นอนุภาคที่เป็นกลางและไม่แตกตัวเป็นไอออนโดยตรง ดังนั้นจึงตรวจจับได้ยากกว่าอนุภาคที่มีประจุ นอกจากนี้ เส้นทางการเคลื่อนที่ของนิวตรอนยังได้รับผลกระทบจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเพียงเล็กน้อย
• มวล: มวลของนิวตรอน1.008 664 9156 (6)  Da ^{[ 1 ]}ไม่สามารถตรวจจับได้โดยตรง แต่มีอิทธิพลต่อปฏิกิริยาที่สามารถตรวจจับได้
• ปฏิกิริยา: นิวตรอนทำปฏิกิริยากับวัสดุหลายชนิดผ่านการกระเจิงแบบยืดหยุ่นทำให้เกิดนิวเคลียสที่กระเด็นกลับการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นทำให้เกิดนิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้น หรือการดูดกลืนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะของนิวเคลียสที่เกิดขึ้น วิธีการตรวจจับส่วนใหญ่อาศัยการตรวจจับผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาต่างๆ เหล่านี้
• โมเมนต์แม่เหล็ก: แม้ว่านิวตรอนจะมีโมเมนต์แม่เหล็กอยู่ก็ตาม−1.913 0427 (5)  μ _Nเทคนิคการตรวจจับโมเมนต์แม่เหล็กมีความไวต่ำเกินไปที่จะใช้สำหรับการตรวจจับนิวตรอน
• โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า: มีการคาดการณ์ว่านิวตรอนจะมีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า เพียงเล็กน้อย ซึ่งยังไม่เคยตรวจพบ ดังนั้นจึงไม่ใช่สัญญาณการตรวจจับที่ใช้งานได้
• การสลายตัว: นอกนิวเคลียส นิวตรอนอิสระจะไม่เสถียรและมีอายุขัยเฉลี่ยประมาณ885.7 ± 0.8 วินาที (ประมาณ 14 นาที 46 วินาที) ^{[ 1 ]}นิวตรอนอิสระสลายตัวโดยการปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนอิเล็กตรอนเพื่อกลายเป็นโปรตอน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการสลายตัวแบบเบตา : ^{[ 2 ]}

  n⁰→ p⁺+ e⁻+ ν_อี.

แม้ว่าp⁺และอี⁻แม้ว่าอนุภาคที่เกิดจากการสลายตัวของนิวตรอนจะสามารถตรวจจับได้ แต่เนื่องจากอัตราการสลายตัวต่ำเกินไป จึงไม่สามารถใช้พื้นฐานสำหรับระบบตรวจจับที่ใช้งานได้จริง

เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ การตรวจจับนิวตรอนจึงแบ่งออกเป็นหลายประเภทหลัก: ^{[ 3 ]}

• ปฏิกิริยาการดูดซับที่มีปฏิกิริยาทันที - โดยทั่วไปนิวตรอนพลังงานต่ำจะถูกตรวจจับทางอ้อมผ่านปฏิกิริยาการดูดซับ วัสดุดูดซับทั่วไปที่ใช้จะมีภาคตัดขวาง สูง สำหรับการดูดซับนิวตรอนและรวมถึงฮีเลียม-3 , ลิเธียม-6 , โบรอน-10และยูเรเนียม-235แต่ละชนิดจะทำปฏิกิริยาโดยการปล่อยอนุภาคไอออนไนซ์พลังงานสูงซึ่งสามารถตรวจจับร่องรอยการแตกตัวเป็นไอออน ได้ด้วยวิธีการหลายวิธี ปฏิกิริยาที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ^3He (n,p) ^3H , ^6Li (n,t) ^4He , ^10B (n,α) ^7Liและการแตกตัวของยูเรเนียม^{[ 3 ]}
• กระบวนการกระตุ้น - นิวตรอนอาจถูกตรวจจับได้โดยการทำปฏิกิริยากับตัวดูดซับในการจับรังสีการแตกตัวหรือปฏิกิริยาที่คล้ายกัน ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาซึ่งจะสลายตัวในภายหลัง ปล่อยอนุภาคเบตาหรือแกมมาออกมาวัสดุที่เลือก (เช่นอินเดียมทองโรเดียมเหล็ก ( 56Fe ⁽ n,p) ^56Mn ) อะลูมิเนียม ( ^27Al (n,α) ^24Na ) ไนโอเบียม ( ^93Nb (n,2n) ^92mNb ) และซิลิคอน ( ^28Si (n,p) ^28Al )) มีภาคตัดขวางขนาดใหญ่มากสำหรับการจับนิวตรอนภายในแถบพลังงานที่แคบมาก การใช้ตัวอย่างตัวดูดซับหลายตัวช่วยให้สามารถกำหนดลักษณะสเปกตรัมพลังงานของนิวตรอนได้ การกระตุ้นยังช่วยให้สามารถสร้างการได้รับนิวตรอนในอดีตขึ้นใหม่ได้ (เช่น การสร้างการได้รับนิวตรอนขึ้นใหม่ทางนิติวิทยาศาสตร์ระหว่างภาวะวิกฤตโดยอุบัติเหตุ ) ^{[ 3 ]}
• ปฏิกิริยาการกระเจิงแบบยืดหยุ่น (เรียกอีกอย่างว่าการกระดอนของโปรตอน) - โดยทั่วไปนิวตรอนพลังงานสูงจะถูกตรวจจับทางอ้อมผ่าน ปฏิกิริยา การกระเจิงแบบยืดหยุ่นนิวตรอนชนกับนิวเคลียสของอะตอมในเครื่องตรวจจับ ถ่ายโอนพลังงานไปยังนิวเคลียสเหล่านั้นและสร้างไอออนซึ่งจะถูกตรวจจับ เนื่องจากการถ่ายโอนพลังงานสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อมวลของอะตอมที่นิวตรอนชนมีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวตรอน วัสดุที่มีไฮโดรเจน^{[ 4 ]}จึงมักเป็นสื่อกลางที่นิยมใช้สำหรับเครื่องตรวจจับดังกล่าว^{[ 3 ]}

เครื่องตรวจจับแบบสัดส่วนก๊าซสามารถปรับใช้เพื่อตรวจจับนิวตรอนได้ แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วนิวตรอนจะไม่ก่อให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนแต่การเพิ่มนิวไคลด์ ที่มี ภาคตัดขวางของนิวตรอนสูงจะช่วยให้เครื่องตรวจจับตอบสนองต่อนิวตรอนได้ นิวไคลด์ที่นิยมใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ ได้แก่ฮีเลียม-3ลิเธียม-6 โบรอน-10และยูเรเนียม-235เนื่องจากวัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับนิวตรอนความร้อน (เช่น นิวตรอนที่ชะลอตัวจนถึงสมดุลกับสิ่งแวดล้อม) จึงมักถูกล้อมรอบด้วยวัสดุที่ช่วยลดพลังงานและเพิ่มโอกาสในการตรวจจับ

โดยปกติแล้วจำเป็นต้องมีการปรับแต่งเพิ่มเติมเพื่อแยกแยะสัญญาณนิวตรอนออกจากผลกระทบของรังสีประเภทอื่น เนื่องจากพลังงานของนิวตรอนความร้อนค่อนข้างต่ำ ปฏิกิริยาของอนุภาคมีประจุจึงเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง (กล่าวคือ โดยพื้นฐานแล้วเป็นปฏิกิริยาที่มีพลังงานเดียวและอยู่ในช่วงพลังงานแคบๆ) ในขณะที่ปฏิกิริยาอื่นๆ เช่น ปฏิกิริยาแกมมา จะครอบคลุมช่วงพลังงานที่กว้าง ทำให้สามารถแยกแยะแหล่งที่มาได้

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องตรวจจับการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซจะวัดจำนวน ( อัตราการนับ ) ไม่ใช่พลังงานของนิวตรอน

ฮีเลียม-3 เป็นวัสดุตรวจจับนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากมันทำปฏิกิริยาโดยการดูดซับนิวตรอนความร้อน ทำให้เกิด ไอออน ^1Hและ^3Hความไวต่อรังสีแกมมาของมันนั้นน้อยมาก ทำให้เป็นวัสดุตรวจจับนิวตรอนที่มีประโยชน์มาก น่าเสียดายที่ปริมาณของ^3Heมีจำกัด เนื่องจากได้มาจากการสลายตัวของทริเทียม (ซึ่งมีครึ่งชีวิต 12.3 ปี) ทริเทียมถูกผลิตขึ้นทั้งในโครงการอาวุธนิวเคลียร์เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา หรือเป็นผลพลอยได้จากการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์

เนื่องจากธาตุโบรอนไม่ใช่ก๊าซ เครื่องตรวจจับนิวตรอนที่มีโบรอนอาจใช้โบรอนไตรฟลูออไรด์ (BF3 ₎ที่เสริมสมรรถนะเป็นโบรอน-10 96% (โบรอนธรรมชาติมี 10B 20% ^และ11B 80% ) แทน^{[ 5 ]}โบรอนไตรฟลูออไรด์เป็นพิษสูง ความไวของเครื่องตรวจจับนี้อยู่ที่ประมาณ 35-40 CPS/nv (จำนวนนับต่อวินาทีต่อฟลักซ์นิวตรอน) ความไวของเครื่องตรวจจับที่บุด้วยโบรอนอยู่ที่ประมาณ 4 CPS/nv ทั้งนี้เนื่องจากในเครื่องตรวจจับที่บุด้วยโบรอน นิวตรอนจะทำปฏิกิริยากับโบรอนเพื่อสร้างคู่ไอออนภายในชั้นโบรอน ดังนั้นอนุภาคประจุที่เกิดขึ้น (อนุภาคอัลฟาและไอออนลิเธียม) อาจสูญเสียพลังงานบางส่วนภายในชั้นนั้น ซึ่งหมายความว่าอนุภาคประจุพลังงานต่ำอาจไม่สามารถเข้าถึง สภาพแวดล้อมก๊าซของ ห้องไอออนไนเซชันได้ ส่งผลให้จำนวนไอออนไนเซชันที่เกิดขึ้นลดลงในทางกลับกันในเครื่องตรวจจับที่บรรจุด้วยก๊าซ BF3 _{นิวตรอน จะทำปฏิกิริยากับอะตอม B} ^{จำนวน 10}อะตอมภายในปริมาตรก๊าซของเครื่องตรวจจับ ดังนั้นอนุภาคที่มีประจุที่เกิดขึ้นจึงมีแนวโน้มที่จะถ่ายเทพลังงานไปยังปริมาตรก๊าซมากขึ้น ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนมากขึ้นและส่งผลให้ได้สัญญาณที่สูงขึ้น

ตัวนับสัดส่วนแบบบรรจุแก๊สที่บุด้วยโบรอนมีปฏิกิริยาคล้ายกับตัวตรวจจับสัดส่วนแบบบรรจุแก๊ส BF₃ _แต่แทนที่จะบรรจุแก๊สที่มีโบรอนเป็นองค์ประกอบหลัก ผนังจะเคลือบด้วย^10Bพร้อมกับแก๊สบรรจุชนิดอื่น ในการออกแบบนี้ เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นบนพื้นผิว จึงจะมีเพียงอนุภาคเดียวจากสองอนุภาคเท่านั้นที่จะหลุดเข้าไปในตัวนับสัดส่วน

เครื่องตรวจจับนิวตรอนแบบเรืองแสงประกอบด้วยสารเรืองแสงอินทรีย์เหลว^{[ 6 ]}ผลึก^{[ 7 ] [ 8 ]}พลาสติก แก้ว^{[ 9 ]}และเส้นใยเรืองแสง^{[ 10 ]}

สารเรืองแสงอินทรีย์เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในการปล่อยแสง (เรืองแสง) เมื่อสัมผัสกับรังสีไอออนไนซ์ โดยทั่วไปจะมีเวลาตอบสนองต่อรังสีที่รวดเร็วและสามารถตรวจจับรังสีได้หลากหลายช่วง (ตั้งแต่แกมมาถึงนิวตรอน) ดังที่ชื่อบ่งบอก โดยทั่วไปมักทำจากวัสดุอินทรีย์ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก^{[ 11 ]}

สารเรืองแสงอินทรีย์มีหลายรูปแบบ เช่น สารเรืองแสงพลาสติก สารเรืองแสงเหลว และสารเรืองแสงผลึก สารเรืองแสงพลาสติกทำจากพอลิเมอร์ เช่น โพลีไวนิลโทลูอีน (PVT) หรือโพลีสไตรีนสารเรืองแสงเหลวทำได้ง่ายๆ โดยการละลายสารเรืองแสงอินทรีย์ในตัวทำละลายที่เหมาะสม สารเรืองแสงผลึกทำจากผลึกของแข็ง เช่นแอนทราซีนหรือสติลเบน

เมื่อสารเรืองแสงสัมผัสกับรังสีไอออนไนซ์ โมเลกุลภายในสารเรืองแสงจะถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้นผ่านปฏิกิริยากับรังสีที่เข้ามา โมเลกุลที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้จะพยายามกลับสู่สภาวะเสถียร (กลับสู่สถานะพลังงานพื้นฐาน) โดยการปล่อยโฟตอนออกมา แสงที่ปล่อยออกมาสามารถตรวจจับได้โดยการขยายสัญญาณในโฟโตมัลติพลายเออร์และแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า สัญญาณเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับพลังงานของรังสี ซึ่งช่วยในการระบุรังสีที่สัมผัส

สามารถตรวจจับนิวตรอนได้โดยใช้สารเรืองแสงอินทรีย์โดยใช้เทคนิคการจำแนกรูปร่างพัลส์ (PSD) ซึ่งสามารถแยกแยะรังสีตามรูปร่างของพัลส์/สัญญาณได้

กระจก เรืองแสง⁶ Li สำหรับการตรวจจับนิวตรอนได้รับการรายงานครั้งแรกในเอกสารทางวิทยาศาสตร์ในปี พ.ศ. 2490 ^{[ 12 ]}และมีความก้าวหน้าที่สำคัญเกิดขึ้นในช่วงปี พ.ศ. 2503 และ พ.ศ. 2513 ^{[ 13 ] [ 14 ]}เส้นใยเรืองแสงได้รับการสาธิตโดย Atkinson M. และคณะในปี พ.ศ. 2530 ^{[ 15 ]}และมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญเกิดขึ้นในช่วงปลายปี พ.ศ. 2523 และต้นปี พ.ศ. 2533 ที่Pacific Northwest National Laboratoryซึ่งได้รับการพัฒนาเป็นเทคโนโลยีลับ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}ได้รับการเปิดเผยข้อมูลในปี 1994 และได้รับอนุญาตครั้งแรกโดย Oxford Instruments ในปี 1997 ตามด้วยการโอนไปยัง Nucsafe ในปี 1999 ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}ปัจจุบันเส้นใยและตัวตรวจจับเส้นใยได้รับการผลิตและจำหน่ายในเชิงพาณิชย์โดย Nucsafe, Inc. ^{[ 24 ]}

เส้นใยแก้วเรืองแสงทำงานโดยการผสม^6Liและ Ce3 ⁺เข้าไปในองค์ประกอบของเนื้อแก้ว^6Liมีค่าภาคตัดขวางสูงสำหรับการดูดซับนิวตรอนความร้อนผ่าน ปฏิกิริยา ^6Li (n,α) การดูดซับนิวตรอนจะสร้างไอออนทริเทียม อนุภาคอัลฟา และพลังงานจลน์อนุภาคอัลฟาและทริเทียมจะทำปฏิกิริยากับเมทริกซ์แก้วทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งจะถ่ายโอนพลังงานไปยังไอออน Ce3 ⁺และส่งผลให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่มีความยาวคลื่น 390 นาโนเมตร – 600 นาโนเมตร เมื่อไอออน Ce3 ⁺ ที่อยู่ในสถานะกระตุ้น กลับสู่สถานะพื้นฐาน เหตุการณ์นี้ส่งผลให้เกิดแสงวาบหลายพันโฟตอนต่อนิวตรอนที่ถูกดูดซับ ส่วนหนึ่งของแสงเรืองแสงจะแพร่กระจายผ่านเส้นใยแก้วซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวนำคลื่น ปลายของเส้นใยจะเชื่อมต่อทางแสงกับหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (PMT) คู่หนึ่งเพื่อตรวจจับการระเบิดของโฟตอน เครื่องตรวจจับสามารถใช้ตรวจจับทั้งนิวตรอนและรังสีแกมมา ซึ่งโดยทั่วไปจะแยกแยะได้โดยใช้การจำแนกความสูงของพัลส์ มีความพยายามและความก้าวหน้าอย่างมากในการลดความไวของเครื่องตรวจจับใยแก้วต่อรังสีแกมมา เครื่องตรวจจับรุ่นดั้งเดิมประสบปัญหาการตรวจจับนิวตรอนปลอมในสนามรังสีแกมมา 0.02 มิลลิเรเดียน การปรับปรุงการออกแบบ กระบวนการ และอัลกอริทึมในปัจจุบันทำให้สามารถทำงานได้ในสนามรังสีแกมมาสูงถึง 20 มิลลิเรเดียนต่อชั่วโมง ( ^60Co )

เครื่องตรวจจับใยแก้วเรืองแสงมีความไวสูง ทนทาน และมีเวลาตอบสนองเร็ว (~60 ns) ทำให้สามารถนับอัตราการนับได้ในช่วงไดนามิกที่กว้าง เครื่องตรวจจับเหล่านี้มีข้อดีคือสามารถขึ้นรูปเป็นรูปร่างใดก็ได้ตามต้องการ และสามารถทำให้มีขนาดใหญ่หรือเล็กมากเพื่อใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ^{[ 25 ]}นอกจากนี้ ยังไม่พึ่งพา^3Heหรือวัตถุดิบใดๆ ที่มีจำกัด และไม่มีสารพิษหรือวัสดุที่ถูกควบคุม ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับเหล่านี้เทียบเท่าหรือเหนือกว่า หลอด ^3Heสำหรับการนับนิวตรอนโดยรวม เนื่องจากมีความหนาแน่นของชนิดที่ดูดซับนิวตรอนในแก้วแข็งสูงกว่าเมื่อเทียบกับก๊าซ 3He ที่มีความดันสูง [ 25 ] แม้ว่าภาคตัดขวางของนิวตรอนความร้อนของ 6Li จะต่ำเมื่อเทียบกับ 3He (940 บาร์น เทียบกับ 5330 บาร์น) แต่ความหนาแน่นของอะตอม^{ของ6Liในใย}แก้ว^นั้นมากกว่า^ถึงห้า^สิบเท่า ส่งผลให้มีข้อได้เปรียบในอัตราส่วนความหนาแน่นของการจับที่มีประสิทธิภาพประมาณ 10:1

LiCaAlF ₆เป็นผลึกสารเรืองแสงอนินทรีย์ที่ไวต่อนิวตรอน ซึ่งเช่นเดียวกับตัวตรวจจับใยแก้วเรืองแสงที่ไวต่อนิวตรอน จะใช้การจับนิวตรอนโดย^6Liอย่างไรก็ตาม แตกต่างจากตัวตรวจจับใยแก้วเรืองแสงตรงที่^6Liเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างผลึกของสารเรืองแสง ทำให้มีความหนาแน่นของ 6Li สูงตามธรรมชาติ^มีการเติมสารเจือปนเพื่อให้ผลึกมีคุณสมบัติเรืองแสง สารเจือปนที่ใช้กันทั่วไปสองชนิดคือซีเรียมไตรวาเลนต์และยูโรเปียมไดวาเลนต์ LiCaAlF ₆ ที่เจือปนด้วยยูโรเปียม มีข้อได้เปรียบเหนือวัสดุอื่นๆ ตรงที่จำนวนโฟตอนแสงที่ผลิตต่อการจับนิวตรอนหนึ่งครั้งอยู่ที่ประมาณ 30,000 ซึ่งสูงกว่าตัวอย่างเช่นในใยแก้วเรืองแสงที่ไวต่อนิวตรอนถึง 5 เท่า^{[ 26 ]}คุณสมบัตินี้ทำให้การแยกแยะโฟตอนนิวตรอนง่ายขึ้น เนื่องจากมีความหนาแน่นของ Li สูง^{วัสดุ}นี้จึงเหมาะสำหรับการผลิตเครื่องตรวจจับนิวตรอนที่มีน้ำหนักเบาและกะทัดรัด ส่งผลให้ LiCaAlF ₆ถูกนำมาใช้ในการตรวจจับนิวตรอนที่ระดับความสูงมากในภารกิจบอลลูน^{[ 27 ]}เวลาการสลายตัวที่ยาวนานของLiCaAlF _{6 ที่เจือด้วย Eu} ²⁺ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการวัดในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีสูง ตัวแปรที่เจือด้วย Ce ³⁺มีเวลาการสลายตัวที่สั้นกว่า แต่มีผลผลิตแสงต่ำกว่า^{[ 28 ]}

ผลึกโซเดียมไอโอ ไดด์ที่เจือด้วยแทลเลียมและลิเธียม [NaI(Tl+Li)] หรือ NaIL มีความสามารถในการตรวจจับรังสีแกมมาและนิวตรอนความร้อนในผลึกเดี่ยวด้วยการแยกแยะรูปร่างพัลส์ที่ยอดเยี่ยม การใช้ความเข้มข้นของ ^6Li ต่ำ ใน NaIL และความหนามากสามารถบรรลุความสามารถในการตรวจจับนิวตรอนเช่นเดียวกับเครื่องตรวจจับ 3He หรือ CLYC หรือ CLLB ในราคาที่ต่ำกว่า การเจือด้วย ^6Li (เสริมสมบูรณ์ 95%) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนความร้อนให้กับสารเรืองแสงรังสีแกมมาที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติการเรืองแสงที่ดีของ NaI(Tl) มาตรฐาน NaIL สามารถจัดหาเครื่องตรวจจับวัสดุเดียวปริมาตรมากสำหรับทั้งรังสีแกมมาและนิวตรอนในราคาต่อปริมาตรที่ต่ำ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

เครื่องตรวจจับนิวตรอนเซมิคอนดักเตอร์มีสองประเภทพื้นฐาน ประเภทแรกคืออุปกรณ์อิเล็กตรอนที่เคลือบด้วยวัสดุที่ทำปฏิกิริยากับนิวตรอน และประเภทที่สองคือเซมิคอนดักเตอร์ที่ประกอบด้วยวัสดุที่ทำปฏิกิริยากับนิวตรอนบางส่วน^{[ 32 ]}การกำหนดค่าที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดคือประเภทอุปกรณ์เคลือบ และตัวอย่างหนึ่งคือไดโอด Si แบบระนาบทั่วไปที่เคลือบด้วย¹⁰ B หรือ⁶ LiF ^{[ 33 ] [ 34 ]} เครื่องตรวจจับประเภทนี้ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Babcock et al. ^{[ 35 ]}แนวคิดนั้นตรงไปตรงมา นิวตรอนจะถูกดูดซับในฟิล์มที่ทำปฏิกิริยาและปล่อยผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่มีพลังงานออกมาเอง ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาอาจไปถึงพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ และเมื่อเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์จะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล ภายใต้แรงดันไบแอสย้อนกลับ อิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้จะเคลื่อนที่ผ่านไดโอดเพื่อสร้างกระแสเหนี่ยวนำ ซึ่งโดยปกติจะรวมในโหมดพัลส์เพื่อสร้างเอาต์พุตแรงดัน ประสิทธิภาพภายในสูงสุดสำหรับอุปกรณ์เคลือบชั้นเดียวอยู่ที่ประมาณ 5% สำหรับนิวตรอนความร้อน (0.0259 eV) และการออกแบบและการทำงานได้รับการอธิบายอย่างละเอียดในเอกสาร^{[ 36 ]} ข้อจำกัดของประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนเป็นผลมาจากการดูดซับตัวเองของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น ระยะในฟิล์มโบรอนของอนุภาค α 1.47 MeV จาก ปฏิกิริยา ¹⁰ B(n,α) ⁷ Li อยู่ที่ประมาณ 4.5 ไมครอน และระยะใน LiF ของไตรตอน 2.7 MeV จากปฏิกิริยา ¹⁰ B(n,α) ⁷ Li อยู่ที่ประมาณ 28 ไมครอน ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระยะทางที่ไกลออกไปจากส่วนต่อประสานฟิล์ม/เซมิคอนดักเตอร์ไม่สามารถเข้าถึงพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ได้ และด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถช่วยในการตรวจจับนิวตรอนได้ อุปกรณ์ที่เคลือบด้วย Gd ธรรมชาติก็ได้รับการสำรวจเช่นกัน ส่วนใหญ่เป็นเพราะภาคตัดขวางจุลภาคของนิวตรอนความร้อนขนาดใหญ่ถึง 49,000 บาร์น^{[ 37 ] [ 38 ]}อย่างไรก็ตาม ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา Gd(n,γ) ที่น่าสนใจส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอนแปลงพลังงานต่ำ ซึ่งส่วนใหญ่อยู่รอบๆ 70 keV ดังนั้น การแยกแยะระหว่างเหตุการณ์ที่เกิดจากนิวตรอนและเหตุการณ์รังสีแกมมา (ส่วนใหญ่ผลิตอิเล็กตรอนที่กระเจิงแบบคอมป์ตัน) จึงทำได้ยากสำหรับไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ที่เคลือบด้วย Gd การออกแบบพิกเซลชดเชยจึงพยายามแก้ไขปัญหานี้^{[ 39 ]}โดยรวมแล้ว อุปกรณ์ที่เคลือบด้วย¹⁰ B หรือ⁶ LiF เป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาอนุภาคประจุพลังงานสูงนั้นแยกแยะได้ง่ายกว่าจากรังสีพื้นหลังมาก

ประสิทธิภาพต่ำของไดโอดระนาบเคลือบทำให้เกิดการพัฒนาเครื่องตรวจจับนิวตรอนเซมิคอนดักเตอร์แบบโครงสร้างขนาดเล็ก (MSND) เครื่องตรวจจับเหล่านี้มีโครงสร้างขนาดเล็กที่สลักลงบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ จากนั้นจึงขึ้นรูปเป็นไดโอดแบบพิน โครงสร้างขนาดเล็กเหล่านี้ถูกเติมด้วยวัสดุที่ทำปฏิกิริยากับนิวตรอน โดยปกติคือ⁶ LiF แม้ว่า จะมีการใช้ ¹⁰ B ก็ตาม พื้นที่ผิวเซมิคอนดักเตอร์ที่เพิ่มขึ้นที่อยู่ติดกับวัสดุที่ทำปฏิกิริยาและความน่าจะเป็นที่เพิ่มขึ้นที่ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจะเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนโดยธรรมชาติอย่างมาก^{[ 40 ]}

การกำหนดค่าอุปกรณ์ MSND ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Muminov และ Tsvang ^{[ 42 ]}และต่อมาโดย Schelten et al. ^{[ 43 ]}หลายปีต่อมาจึงมีการสร้างและสาธิตตัวอย่างการทำงานแรกของ MSND ^{[ 44 ]} , ^{[ 45 ]}ซึ่งในขณะนั้นมีประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนความร้อนเพียง 3.3% นับตั้งแต่งานเริ่มต้นนั้น MSND ได้บรรลุประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนความร้อนมากกว่า 30% ^{[ 46 ]}แม้ว่า MSND จะสามารถทำงานได้ที่ศักยภาพภายใน (แรงดันไฟฟ้าที่ใช้เป็นศูนย์) แต่จะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า 2-3 โวลต์ ปัจจุบันมีหลายกลุ่มที่กำลังทำงานเกี่ยวกับ MSND รูปแบบต่างๆ^{[ 47 ] [ 48 ]}ประเภทที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดคือแบบที่เติมด้วย วัสดุ ⁶ LiF MSND ได้รับการผลิตและจำหน่ายในเชิงพาณิชย์โดย Radiation Detection Technologies, Inc. ^{[ 49 ]} มีการรายงานเวอร์ชันทดลองขั้นสูงของ MSND สองด้านที่มีโครงสร้างจุลภาคตรงข้ามกันบนทั้งสองด้านของเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ โดยมีประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนความร้อนมากกว่า 65% ^{[ 50 ]}และในทางทฤษฎีแล้วสามารถมีประสิทธิภาพได้มากกว่า 70%

เครื่องตรวจจับนิวตรอนแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอะตอมอย่างน้อยหนึ่งอะตอมทำปฏิกิริยากับนิวตรอน เรียกว่า เครื่องตรวจจับนิวตรอนแบบเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ เครื่องตรวจจับนิวตรอนแบบโซลิดสเตทขนาดใหญ่สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทพื้นฐาน ได้แก่ ประเภทที่อาศัยการตรวจจับผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาของอนุภาคมีประจุ และประเภทที่อาศัยการตรวจจับรังสีแกมมาจากการจับแบบทันที โดยทั่วไปแล้ว เครื่องตรวจจับนิวตรอนประเภทนี้ผลิตได้ยากและมีความน่าเชื่อถือ และในปัจจุบันยังไม่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์

วัสดุจำนวนมากที่อาศัยการปล่อยอนุภาคประจุไฟฟ้ามีพื้นฐานมาจากสารกึ่งตัวนำที่มีโบรอนและลิเธียม ในการค้นหาตัวตรวจจับนิวตรอนแบบสารกึ่งตัวนำจำนวนมาก วัสดุที่มีโบรอนเป็นองค์ประกอบ เช่น BP, BAs, BN และ B4C _ได้รับการศึกษามากกว่าวัสดุที่มีศักยภาพอื่นๆ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]}

สารกึ่งตัวนำที่มีโบรอนเป็นองค์ประกอบในรูปทรงลูกบาศก์นั้นปลูกเป็นผลึกขนาดใหญ่ได้ยาก ส่วนใหญ่เป็นเพราะต้องใช้อุณหภูมิสูงและความดันสูงในการสังเคราะห์ BP และ Bas สามารถสลายตัวเป็นโครงสร้างผลึกที่ไม่พึงประสงค์ (จากรูปทรงลูกบาศก์เป็นรูปทรงไอโคซาเฮดรัล) เว้นแต่จะสังเคราะห์ภายใต้ความดันสูง B ₄ C ยังก่อตัวเป็นหน่วยไอโคซาเฮดรัลในโครงสร้างผลึกรูปทรงสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่พึงประสงค์เนื่องจากโครงสร้างไอโคซาเฮดรัลมีคุณสมบัติในการรวบรวมประจุค่อนข้างต่ำ^{[ 57 ]}ซึ่งทำให้รูปแบบไอโคซาเฮดรัลเหล่านี้ไม่เหมาะสมสำหรับการตรวจจับนิวตรอน

BN สามารถเกิดขึ้นได้ในรูปผลึกหกเหลี่ยมธรรมดา ผลึกลูกบาศก์ (ซิงค์เบลนด์) หรือผลึกเวิร์ตไซต์ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการเจริญเติบโต และโดยทั่วไปจะปลูกโดยวิธีฟิล์มบาง รูปแบบหกเหลี่ยมธรรมดาของ BN เป็นรูปแบบที่ได้รับการศึกษามากที่สุดในฐานะตัวตรวจจับนิวตรอน โดยทั่วไปจะใช้วิธีการตกตะกอนไอสารเคมีแบบฟิล์มบางเพื่อผลิต BP, BAs, BN หรือ B₄C _{ฟิล์ม}ที่ใช้โบรอนเหล่านี้มักจะปลูกบนพื้นผิว Si ชนิด n ซึ่งสามารถสร้างรอยต่อ ap–n กับ Si และด้วยเหตุนี้จึงสร้างไดโอด Si เคลือบดังที่ได้อธิบายไว้ในตอนต้นของหัวข้อนี้ ดังนั้น การตอบสนองต่อนิวตรอนจากอุปกรณ์จึงอาจถูกเข้าใจผิดว่าเป็นสัญญาณตอบสนองจากวัสดุจำนวนมาก ในขณะที่ความจริงแล้วเป็นสัญญาณตอบสนองจากไดโอดเคลือบ จนถึงปัจจุบัน มีหลักฐานน้อยมากเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำที่ใช้โบรอนที่สร้างสัญญาณนิวตรอนโดยธรรมชาติ

สารกึ่งตัวนำที่มีลิเธียม ซึ่งจัดอยู่ในประเภทสารประกอบ Nowotny–Juza ได้รับการศึกษาในฐานะตัวตรวจจับนิวตรอนขนาดใหญ่ สารประกอบ Nowotny–Juza LiZnAs ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นตัวตรวจจับนิวตรอน^{[ 58 ]}อย่างไรก็ตาม วัสดุนี้สังเคราะห์ได้ยากและมีราคาแพง และมีรายงานเฉพาะผลึกสารกึ่งตัวนำขนาดเล็กเท่านั้น สุดท้ายนี้ วัสดุสารกึ่งตัวนำแบบดั้งเดิมที่มีสารเจือปนที่ทำปฏิกิริยากับนิวตรอนได้รับการศึกษา ได้แก่ ตัวตรวจจับ Si(Li) นิวตรอนจะทำปฏิกิริยากับสารเจือปนลิเธียมในวัสดุและสร้างผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่มีพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม ความเข้มข้นของสารเจือปนค่อนข้างต่ำในตัวตรวจจับ Si ที่มีการเคลื่อนตัวของลิเธียม (หรือสารกึ่งตัวนำที่เจือปนอื่นๆ) โดยทั่วไปจะน้อยกว่า10 ¹⁹  cm ⁻³สำหรับความเข้มข้นของ Li ที่เสื่อมสภาพในระดับ 10 ¹⁹  cm ⁻³บล็อก Si(Li) ธรรมชาติหนา 5 ซม. จะมีประสิทธิภาพในการตรวจจับนิวตรอนความร้อนน้อยกว่า 1% ในขณะที่บล็อกตรวจจับ Si( ^6Li ) หนา 5 ซม. จะมีประสิทธิภาพในการตรวจจับนิวตรอนความร้อนเพียง 4.6%

เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยรังสีแกมมาแบบฉับพลัน เช่น CdTe ^{[ 59 ] [ 60 ]} และ HgI ₂ ^{[ 61 ] [ 62 ]}ได้ถูกนำมาใช้เป็นเครื่องตรวจจับนิวตรอนอย่างประสบความสำเร็จ เครื่องตรวจจับเหล่านี้อาศัยการปล่อยรังสีแกมมาแบบฉับพลันจาก ปฏิกิริยา ¹¹³ Cd(n, γ) ¹¹⁴ Cd (ซึ่งผลิตรังสีแกมมา 558.6 keV และ 651.3 keV) และปฏิกิริยา¹⁹⁹ Hg(n, γ) ²⁰⁰ Hg (ซึ่งผลิตรังสีแกมมา 368.1 keV และ 661.1 keV) อย่างไรก็ตาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้เป็นสเปกโทรเมตรของรังสีแกมมา ดังนั้นจึงมีความไวต่อพื้นหลังของรังสีแกมมาโดยธรรมชาติ ด้วยความละเอียดของพลังงานที่เพียงพอ การแยกแยะความสูงของพัลส์สามารถใช้เพื่อแยกการปล่อยรังสีแกมมาแบบฉับพลันออกจากปฏิกิริยาของนิวตรอนได้ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนที่แท้จริงลดลงเนื่องจากอัตราส่วนคอมป์ตันค่อนข้างต่ำ กล่าวคือ เหตุการณ์ส่วนใหญ่จะเพิ่มเข้าไปในส่วนต่อเนื่องของคอมป์ตันมากกว่าที่จะเพิ่มเข้าไปในยอดพลังงานเต็ม ทำให้การแยกแยะระหว่างนิวตรอนและรังสีแกมมาพื้นหลังทำได้ยาก นอกจากนี้ ทั้งแคดเมียมและปรอทตามธรรมชาติยังมีภาคตัดขวางของนิวตรอนความร้อน (n,γ) ค่อนข้างสูง คือ 2444 b และ 369.8 b ตามลำดับ ดังนั้น นิวตรอนความร้อนส่วนใหญ่จึงถูกดูดซับใกล้พื้นผิวของตัวตรวจจับ ทำให้รังสีแกมมาที่เกิดขึ้นทันทีเกือบครึ่งหนึ่งถูกปล่อยออกมาในทิศทางที่ห่างจากตัวตรวจจับ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการดูดซับหรือการปฏิสัมพันธ์ของรังสีแกมมาต่ำ

ตัวอย่างการกระตุ้นอาจถูกวางไว้ในสนามนิวตรอนเพื่อกำหนดลักษณะสเปกตรัมพลังงานและความเข้มของนิวตรอน ปฏิกิริยาการกระตุ้นที่มีเกณฑ์พลังงานที่แตกต่างกันสามารถใช้ได้ รวมถึง⁵⁶ Fe(n,p) ⁵⁶ Mn, ²⁷ Al(n,α) ²⁴ Na, ⁹³ Nb(n,2n) ^92m Nb และ²⁸ Si(n,p) ²⁸ Al ^{[ 63 ]}

นิวตรอนเร็วส่วนใหญ่มักถูกตรวจจับโดยการทำให้ช้าลง (ลดความเร็ว) ลงจนถึงพลังงานความร้อนก่อน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการนั้น ข้อมูลเกี่ยวกับพลังงานดั้งเดิมของนิวตรอน ทิศทางการเคลื่อนที่ และเวลาของการปล่อยจะสูญหายไป สำหรับการใช้งานหลายอย่าง การตรวจจับนิวตรอน "เร็ว" ที่ยังคงรักษาข้อมูลนี้ไว้เป็นสิ่งที่พึงปรารถนาอย่างยิ่ง^{[ 64 ]}

เครื่องตรวจจับนิวตรอนเร็วทั่วไป ได้แก่ สารเรืองแสงเหลว^{[ 65 ]}เครื่องตรวจจับก๊าซเฉื่อยที่ใช้ 4-He ^{[ 66 ]}และเครื่องตรวจจับพลาสติก เครื่องตรวจจับนิวตรอนเร็วจะแตกต่างกันโดย (1) ความสามารถในการแยกแยะนิวตรอน/แกมมา (ผ่านการแยกแยะรูปร่างพัลส์) และ (2) ความไว ความสามารถในการแยกแยะระหว่างนิวตรอนและแกมมานั้นยอดเยี่ยมในเครื่องตรวจจับ 4-He ที่ใช้ก๊าซเฉื่อย เนื่องจากมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนต่ำและคุณสมบัติการแยกแยะรูปร่างพัลส์ที่ยอดเยี่ยม ในความเป็นจริง สารเรืองแสงอนินทรีย์ เช่น ซิงค์ซัลไฟด์ ได้แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างอย่างมากในเวลาการสลายตัวของโปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์โดยการรวมผลึกอนินทรีย์เข้ากับตัวแปลงนิวตรอน (เช่น โพลีเมทิลเมทาคริเลต) ในเครื่องตรวจจับนิวตรอนเร็วแบบไมโครเลเยอร์^{[ 67 ]}ระบบตรวจจับดังกล่าวสามารถตรวจจับเฉพาะนิวตรอนเร็วในสนามรังสีนิวตรอน-แกมมาแบบผสมได้โดยไม่ต้องใช้เทคนิคการแยกแยะเพิ่มเติม เช่น การแยกแยะรูปร่างพัลส์^{[ 68 ]}

การตรวจจับนิวตรอนเร็วทำให้เกิดปัญหาพิเศษหลายประการ เครื่องตรวจจับนิวตรอนเร็วแบบทิศทางได้รับการพัฒนาโดยใช้โปรตอนกระเด็นหลายตัวในระนาบที่แยกจากกันของวัสดุเรืองแสงพลาสติก เส้นทางของนิวเคลียสกระเด็นที่เกิดจากการชนของนิวตรอนจะถูกบันทึก การกำหนดพลังงานและโมเมนตัมของนิวเคลียสกระเด็นสองตัวทำให้สามารถคำนวณทิศทางการเดินทางและพลังงานของนิวตรอนที่เกิดการกระเจิงแบบยืดหยุ่นกับพวกมันได้^{[ 69 ]}

การตรวจจับนิวตรอนถูกนำไปใช้ในหลากหลายวัตถุประสงค์ แต่ละการใช้งานมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับระบบตรวจจับ

• อุปกรณ์วัดในเครื่องปฏิกรณ์: เนื่องจากกำลังของเครื่องปฏิกรณ์แปรผันตรงกับฟลักซ์ของนิวตรอน โดยตรง เครื่องตรวจจับนิวตรอนจึงเป็นตัววัดกำลังที่สำคัญในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อการผลิตพลังงานและการวิจัย เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือดอาจมีเครื่องตรวจจับนิวตรอนหลายสิบเครื่อง โดยติดตั้งเครื่องละหนึ่งเครื่องต่อชุดเชื้อเพลิง เครื่องตรวจจับนิวตรอนส่วนใหญ่ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสเปกตรัมความร้อนได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อตรวจจับนิวตรอนความร้อน
• ฟิสิกส์พลาสมา: การตรวจจับนิวตรอนใช้ในการทดลองฟิสิกส์พลาสมาฟิวชั่น เช่นJET ^[ 70 ^]ตัวอย่างเช่น อัตรานิวตรอนที่ตรวจพบจากพลาสมาสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับอุณหภูมิของไอออน^{ได้[ 71 ]}
• ฟิสิกส์อนุภาค: การตรวจจับนิวตรอนได้รับการเสนอให้เป็นวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องตรวจจับนิวตริโน^{[ 72 ]}
• วิทยาศาสตร์วัสดุ: การกระเจิงของนิวตรอนแบบยืดหยุ่นและไม่ยืดหยุ่นช่วยให้นักทดลองสามารถระบุลักษณะทางสัณฐานวิทยาของวัสดุ ได้ตั้งแต่ระดับอังสตรอมไปจนถึงประมาณหนึ่งไมโครเมตร
• ความปลอดภัยจากรังสี: รังสีนิวตรอนเป็นอันตรายที่เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดนิวตรอนการเดินทางในอวกาศเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องตรวจจับนิวตรอนที่ใช้เพื่อความปลอดภัยจากรังสีต้องคำนึงถึงประสิทธิภาพทางชีวภาพสัมพัทธ์ (เช่น วิธีที่ความเสียหายที่เกิดจากนิวตรอนเปลี่ยนแปลงไปตามระดับพลังงาน)
• การตรวจจับรังสีคอสมิก: นิวตรอนทุติยภูมิเป็นองค์ประกอบหนึ่งของกลุ่มอนุภาคที่เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศของโลกโดยรังสีคอสมิก มีการใช้ เครื่องตรวจจับนิวตรอนเฉพาะทางระดับพื้นดิน หรือที่เรียกว่าเครื่องตรวจวัดนิวตรอนเพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของปริมาณรังสีคอสมิก
• การตรวจจับวัสดุนิวเคลียร์พิเศษ: วัสดุนิวเคลียร์พิเศษ (SNM) เช่นยูเรเนียม-233และพลูโทเนียม-239สลายตัวโดยการแตกตัวแบบธรรมชาติทำให้เกิดนิวตรอน เครื่องตรวจจับนิวตรอนสามารถใช้ในการตรวจสอบ SNM ในเชิงพาณิชย์ได้

การทดลองที่ใช้ประโยชน์จากวิทยาศาสตร์นี้รวมถึงการทดลองการกระเจิง ซึ่งเป็นการตรวจจับนิวตรอนที่พุ่งตรงและกระเจิงจากตัวอย่าง สถานที่ทำการทดลอง ได้แก่แหล่งกำเนิดนิวตรอน ISISที่ห้องปฏิบัติการ Rutherford Appleton , แหล่งกำเนิดนิวตรอนแบบ Spallationที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridgeและแหล่งกำเนิดนิวตรอนแบบ Spallation (SINQ)ที่สถาบัน Paul Scherrerซึ่งนิวตรอนถูกผลิตขึ้นโดยปฏิกิริยา Spallation และสิ่งอำนวยความสะดวกเครื่องปฏิกรณ์วิจัยแบบดั้งเดิมซึ่งนิวตรอนถูกผลิตขึ้นระหว่างการแตกตัวของไอโซโทปยูเรเนียม การทดลองตรวจจับนิวตรอนที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือการทดลองที่เป็นเอกลักษณ์ของEuropean Muon Collaborationซึ่งดำเนินการครั้งแรกที่CERNและปัจจุบันเรียกว่า "การทดลอง EMC" การทดลองเดียวกันนี้ดำเนินการในปัจจุบันด้วยอุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่าเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แน่นอนมากขึ้นเกี่ยวกับปรากฏการณ์ EMCดั้งเดิม

การตรวจจับนิวตรอนในสภาพแวดล้อมการทดลองไม่ใช่เรื่องง่าย ความท้าทายหลักที่พบในการตรวจจับนิวตรอนในปัจจุบัน ได้แก่สัญญาณรบกวนพื้นหลังอัตราการตรวจจับสูง ความเป็นกลางของนิวตรอน และพลังงานนิวตรอนต่ำ

ส่วนประกอบหลักของสัญญาณรบกวนพื้นหลังในการตรวจจับนิวตรอนคือ โฟตอนพลังงานสูงซึ่งไม่สามารถกำจัดได้ง่ายด้วยสิ่งกีดขวางทางกายภาพ แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนอื่นๆ เช่นอนุภาคอัลฟาและ เบตา สามารถกำจัดได้ด้วยวัสดุป้องกันต่างๆ เช่นตะกั่วพลาสติก ถ่านหินความร้อน เป็นต้น ดังนั้น โฟตอนจึงก่อให้เกิดการรบกวนหลักในการตรวจจับนิวตรอน เนื่องจากไม่แน่ใจว่าเครื่องตรวจจับนิวตรอนกำลังตรวจจับนิวตรอนหรือโฟตอนกันแน่ ทั้งสองอย่างมีพลังงานใกล้เคียงกันหลังจากกระเจิงเข้าสู่เครื่องตรวจจับจากเป้าหมายหรือแสงโดยรอบ จึงยากที่จะแยกแยะได้ การตรวจ จับแบบพร้อมกันยังสามารถใช้เพื่อแยกแยะเหตุการณ์นิวตรอนจริงออกจากโฟตอนและรังสีอื่นๆ ได้อีกด้วย

หากตัวตรวจจับตั้งอยู่ในบริเวณที่มีกิจกรรมลำแสงสูง มันจะถูกนิวตรอนและสัญญาณรบกวนพื้นหลังกระทบอย่างต่อเนื่องในอัตราที่สูงมาก ซึ่งจะทำให้ข้อมูลที่เก็บรวบรวมได้ไม่ชัดเจน เนื่องจากมีการวัดที่ทับซ้อนกันอย่างมาก และเหตุการณ์ต่างๆ ก็ไม่สามารถแยกแยะออกจากกันได้ง่าย ดังนั้น ความท้าทายส่วนหนึ่งจึงอยู่ที่การรักษาอัตราการตรวจจับให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และการออกแบบตัวตรวจจับที่สามารถรองรับอัตราที่สูงเพื่อให้ได้ข้อมูลที่สอดคล้องกัน

นิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้า ทำให้ยากต่อการควบคุมทิศทางของนิวตรอนไปยังเครื่องตรวจจับเพื่อตรวจจับได้ นอกจากนี้ นิวตรอนยังไม่ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอม ยกเว้นโดยการชนโดยตรง ดังนั้นเครื่องตรวจจับการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซจึงไม่มีประสิทธิภาพ

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องตรวจจับที่อาศัยการดูดกลืนนิวตรอนจะมีความไวต่อ นิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำมากกว่าและมีความไวต่อนิวตรอนพลังงานสูงน้อยกว่าหลายเท่า ในทางกลับกัน เครื่องตรวจจับแบบสั่นไหวจะมีปัญหาในการตรวจจับการกระทบของนิวตรอนพลังงานต่ำ

ภาพที่ 1 แสดงส่วนประกอบหลักทั่วไปของการติดตั้งหน่วยตรวจจับนิวตรอน โดยหลักการแล้ว แผนภาพแสดงการติดตั้งในลักษณะเดียวกับที่พบใน ห้องปฏิบัติการ ฟิสิกส์อนุภาค สมัยใหม่ทั่วไป แต่รายละเอียดต่างๆ อธิบายถึงการติดตั้งในห้องปฏิบัติการเจฟเฟอร์สัน ( นิวพอร์ต นิวส์ รัฐเวอร์จิเนีย )

ในระบบนี้ อนุภาคที่เข้ามา ซึ่งประกอบด้วยนิวตรอนและโฟตอน จะพุ่งชนเครื่องตรวจจับนิวตรอน ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นเครื่องตรวจจับแบบสั่นไหวที่ประกอบด้วยวัสดุสั่นไหวท่อนำคลื่นและ หลอด โฟโตมัลติพลายเออร์ (PMT) และจะเชื่อมต่อกับระบบเก็บข้อมูล (DAQ) เพื่อบันทึกรายละเอียดการตรวจจับ

สัญญาณตรวจจับจากเครื่องตรวจจับนิวตรอนเชื่อมต่อกับหน่วยนับอนุภาค หน่วยหน่วงเวลาแบบเกต หน่วยทริกเกอร์ และออสซิลโลสโคปหน่วยนับอนุภาคทำหน้าที่เพียงนับจำนวนอนุภาคหรือเหตุการณ์ที่เข้ามา โดยจะเพิ่มค่าการนับอนุภาคทุกครั้งที่ตรวจพบการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของสัญญาณจากเครื่องตรวจจับจากจุดศูนย์ หน่วยนี้มีช่วงเวลาหยุดทำงาน น้อยมาก ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าอนุภาคจะเข้ามาเร็วแค่ไหน ก็เป็นไปได้ยากมากที่หน่วยนี้จะนับเหตุการณ์ (เช่น อนุภาคที่เข้ามา) ไม่ได้ ช่วงเวลาหยุดทำงานที่ต่ำนี้เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนในหน่วยนี้ ซึ่งใช้เวลาเพียงเล็กน้อยในการฟื้นตัวจากงานที่ค่อนข้างง่ายในการบันทึกสัญญาณลอจิกสูงทุกครั้งที่เกิดเหตุการณ์ หน่วยทริกเกอร์จะประสานงานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดของระบบและให้สัญญาณลอจิกสูงแก่หน่วยเหล่านี้เมื่อระบบทั้งหมดพร้อมที่จะบันทึกการทำงานของเหตุการณ์

ออสซิลโลสโคปจะบันทึกพัลส์กระแสไฟฟ้าทุกครั้งที่มีเหตุการณ์ พัลส์นี้เป็นเพียงกระแสไอออนไนเซชันในตัวตรวจจับที่เกิดจากเหตุการณ์นี้ซึ่งแสดงเป็นกราฟเทียบกับเวลา พลังงานทั้งหมดของอนุภาคที่ตกกระทบสามารถหาได้โดยการอินทิเกรตพัลส์กระแสไฟฟ้านี้เทียบกับเวลาเพื่อให้ได้ประจุทั้งหมดที่สะสมอยู่ที่ปลาย PMT การอินทิเกรตนี้ดำเนินการในตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ประจุที่สะสมทั้งหมดเป็นการวัดพลังงานของอนุภาคไอออนไนซ์ (นิวตรอนหรือโฟตอน) ที่เข้าสู่ตัวตรวจจับนิวตรอนโดยตรง เทคนิคการอินทิเกรตสัญญาณนี้เป็นวิธีการที่ได้รับการยอมรับสำหรับการวัดไอออนไนเซชันในตัวตรวจจับในฟิสิกส์นิวเคลียร์^{[ 73 ]} ADC มีเวลาหยุดทำงานมากกว่าออสซิลโลสโคป ซึ่งมีหน่วยความจำจำกัดและจำเป็นต้องถ่ายโอนเหตุการณ์ไปยัง ADC อย่างรวดเร็ว ดังนั้น ADC จึงสุ่มตัวอย่างเหตุการณ์ประมาณ 1 ใน 30 เหตุการณ์จากออสซิลโลสโคปเพื่อการวิเคราะห์ เนื่องจากอัตราเหตุการณ์โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 10⁶ ^{นิวตรอน}ทุกวินาที^{[ 74 ]}การสุ่มตัวอย่างนี้จะยังคงสะสมเหตุการณ์หลายพันเหตุการณ์ทุกวินาที

ADC ส่งข้อมูลไปยังหน่วย DAQ ซึ่งจัดเรียงข้อมูลให้อยู่ในรูปแบบที่สามารถนำเสนอเพื่อการวิเคราะห์ได้ กุญแจสำคัญในการวิเคราะห์เพิ่มเติมอยู่ที่ความแตกต่างระหว่างรูปร่างของพัลส์กระแสไอออนไนเซชันของโฟตอนและของนิวตรอน พัลส์ของโฟตอนจะยาวกว่าที่ปลาย (หรือ "หาง") ในขณะที่พัลส์ของนิวตรอนจะอยู่ตรงกลาง^{[ 74 ]}ข้อเท็จจริงนี้สามารถใช้เพื่อระบุนิวตรอนที่เข้ามาและนับอัตราทั้งหมดของนิวตรอนที่เข้ามา ขั้นตอนที่นำไปสู่การแยกนี้ (ซึ่งมักดำเนินการในห้องปฏิบัติการระดับชาติชั้นนำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Jefferson Lab) คือการสกัดพัลส์แบบเกตและการพล็อตความแตกต่าง

สัญญาณกระแสไอออนไนเซชันทั้งหมดเป็นพัลส์ที่มีจุดสูงสุดเฉพาะที่อยู่ระหว่างนั้น การใช้เกต ANDเชิงตรรกะในเวลาต่อเนื่อง (โดยมีกระแสพัลส์ "1" และ "0" เป็นอินพุตหนึ่ง และสัญญาณกระแสเป็นอีกอินพุตหนึ่ง) จะสามารถแยกส่วนท้ายของสัญญาณพัลส์กระแสแต่ละพัลส์ออกมาได้ วิธีการแยกแยะแบบเกตนี้ใช้เป็นประจำกับสารเรืองแสงเหลว^{[ 75 ]}หน่วยหน่วงเวลาแบบเกตมีจุดประสงค์เพื่อสิ่งนี้โดยเฉพาะ และสร้างสำเนาที่หน่วงเวลาของสัญญาณดั้งเดิมในลักษณะที่ส่วนท้ายของสัญญาณจะปรากฏควบคู่ไปกับส่วนหลักบนหน้าจอออสซิลโลสโคป

หลังจากแยกส่วนหางออกแล้ว จะทำการรวมกระแสไฟฟ้าตามปกติทั้งในส่วนหางและสัญญาณทั้งหมด ซึ่งจะให้ค่าการแตกตัวเป็นไอออนสองค่าสำหรับแต่ละเหตุการณ์ โดยค่าเหล่านี้จะถูกจัดเก็บไว้ในตารางเหตุการณ์ในระบบ DAQ

ขั้นตอนนี้เป็นหัวใจสำคัญของการวิเคราะห์ นั่นคือการนำค่าการแตกตัวเป็นไอออนที่ได้มาพล็อตลงบนกราฟ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กราฟจะแสดงการสะสมพลังงานในส่วนหางเทียบกับการสะสมพลังงานในสัญญาณทั้งหมดสำหรับช่วงพลังงานนิวตรอนต่างๆ โดยทั่วไป สำหรับพลังงานที่กำหนด จะมีเหตุการณ์จำนวนมากที่มีค่าพลังงานส่วนหางเท่ากัน ในกรณีนี้ จุดที่พล็อตจะมีความหนาแน่นมากขึ้นด้วยจุดที่ทับซ้อนกันมากขึ้นบนกราฟสองมิติ และสามารถใช้เพื่อประเมินจำนวนเหตุการณ์ที่สอดคล้องกับการสะสมพลังงานแต่ละค่าได้ นอกจากนี้ยังมีการพล็อตเหตุการณ์แบบสุ่มจำนวนมาก (1/30) ลงบนกราฟด้วย

ถ้าขนาดของส่วนหางที่สกัดออกมาเป็นสัดส่วนคงที่ของพัลส์ทั้งหมด จะปรากฏเป็นเส้นสองเส้นบนกราฟ โดยมีความชันต่างกัน เส้นที่มีความชันมากกว่าจะสอดคล้องกับเหตุการณ์โฟตอน และเส้นที่มีความชันน้อยกว่าจะสอดคล้องกับเหตุการณ์นิวตรอน ทั้งนี้เป็นเพราะกระแสการสะสมพลังงานของโฟตอนที่พล็อตเทียบกับเวลา จะทิ้ง "ส่วนหาง" ที่ยาวกว่ากราฟการสะสมพลังงานของนิวตรอน ทำให้ส่วนหางของโฟตอนมีสัดส่วนของพลังงานทั้งหมดมากกว่าส่วนหางของนิวตรอน

ประสิทธิภาพของการวิเคราะห์การตรวจจับใดๆ สามารถวัดได้จากความสามารถในการนับและแยกจำนวนนิวตรอนและโฟตอนที่ตกกระทบตัวตรวจจับได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของขั้นตอนที่สองและสามยังแสดงให้เห็นว่าอัตราการเกิดเหตุการณ์ในการทดลองนั้นสามารถจัดการได้หรือไม่ หากสามารถสร้างกราฟที่ชัดเจนในขั้นตอนข้างต้น ซึ่งช่วยให้แยกนิวตรอนและโฟตอนได้ง่าย การตรวจจับนั้นก็ถือว่ามีประสิทธิภาพและอัตราการเกิดเหตุการณ์สามารถจัดการได้ ในทางกลับกัน หากข้อมูลไม่ชัดเจนและแยกแยะได้ยาก จะทำให้ไม่สามารถแยกเหตุการณ์ได้ง่าย

อัตราการตรวจจับสามารถลดลงได้หลายวิธี เช่น การสุ่มตัวอย่างเหตุการณ์เพื่อเลือกเหตุการณ์เพียงไม่กี่เหตุการณ์มาวิเคราะห์ หากอัตราสูงมากจนไม่สามารถแยกแยะเหตุการณ์หนึ่งออกจากอีกเหตุการณ์หนึ่งได้ สามารถปรับพารามิเตอร์ทางกายภาพของการทดลอง (เช่น การป้องกัน การเว้นระยะห่างระหว่างตัวตรวจจับกับเป้าหมาย มุมตัน ฯลฯ) เพื่อให้ได้อัตราที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และทำให้สามารถแยกแยะเหตุการณ์ได้

สิ่งสำคัญในที่นี้คือต้องสังเกตตัวแปรที่สำคัญอย่างแม่นยำ เนื่องจากอาจมีตัวบ่งชี้ที่ผิดพลาดเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น กระแสไอออนไนเซชันอาจมีค่าสูงขึ้นเป็นระยะ ซึ่งไม่ได้หมายความว่าอัตราสูง แต่เป็นเพียงการสะสมพลังงานสูงสำหรับเหตุการณ์ผิดปกติ ค่าที่พุ่งสูงขึ้นเหล่านี้จะถูกบันทึกและพิจารณาอย่างรอบคอบหากไม่มีเหตุผล โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากมีสัญญาณรบกวนพื้นหลังจำนวนมากในระบบ

อาจมีคนสงสัยว่าผู้ทำการทดลองจะมั่นใจได้อย่างไรว่าพัลส์กระแสไฟฟ้าทุกพัลส์ในออสซิลโลสโคปนั้นสอดคล้องกับเหตุการณ์เพียงหนึ่งเดียว นี่เป็นความจริงเพราะพัลส์มีระยะเวลาประมาณ 50  นาโนวินาทีทำให้สามารถเกิดเหตุการณ์ได้สูงสุดถึง...2 × 10 ⁷เหตุการณ์ทุกวินาที ตัวเลขนี้สูงกว่าอัตราปกติจริงมาก ซึ่งโดยปกติจะน้อยกว่าหนึ่งลำดับขนาด ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ^{[ 74 ]}ซึ่งหมายความว่าเป็นไปได้ยากมากที่จะมีอนุภาคสองตัวที่สร้างพัลส์กระแสไฟฟ้าหนึ่งพัลส์ พัลส์กระแสไฟฟ้าแต่ละพัลส์มีระยะเวลา 50 นาโนวินาที และเริ่มบันทึกเหตุการณ์ถัดไปหลังจากเว้นช่วงจากเหตุการณ์ก่อนหน้า

แม้ว่าบางครั้งจะง่ายขึ้นด้วยพลังงานนิวตรอนขาเข้าที่สูงขึ้น แต่การตรวจจับนิวตรอนโดยทั่วไปเป็นงานที่ยากลำบากด้วยเหตุผลทั้งหมดที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ดังนั้น การออกแบบสารเรืองแสงที่ดีขึ้นจึงเป็นสิ่งสำคัญและเป็นหัวข้อของการศึกษาค้นคว้ามาตั้งแต่การประดิษฐ์เครื่องตรวจจับการเรืองแสง เครื่องตรวจจับการเรืองแสงถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1903 โดย Crookes แต่ไม่มีประสิทธิภาพมากนักจนกระทั่งมีการพัฒนา PMT (หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์) โดย Curran และ Baker ในปี 1944 ^{[ 73 ]} PMT ให้วิธีการตรวจจับที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ เนื่องจากสามารถคูณสัญญาณเริ่มต้นของโฟตอนเรืองแสงเดี่ยวที่กระทบกับหน้า PMT ได้หลายล้านครั้งให้กลายเป็นพัลส์ไฟฟ้าที่วัดได้ ถึงกระนั้น การออกแบบเครื่องตรวจจับสารเรืองแสงก็ยังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุง เช่นเดียวกับตัวเลือกอื่นๆ สำหรับการตรวจจับนิวตรอนนอกเหนือจากการเรืองแสง

• ทรงกลมบอนเนอร์ – เครื่องมือสำหรับกำหนดพลังงานของนิวตรอน
• เครื่องวัดสเปกตรัมของนิวตรอนแบบซ้อนกัน – เครื่องวัดสเปกตรัมของนิวตรอน แบบพกพาภาคสนาม ที่ใช้หลักการทรงกลมบอนเนอร์
• เครื่องตรวจจับนิวตรอนพื้นที่ขนาดใหญ่
• โพรบนิวตรอน
• กล้องจับความโกรธ – เครื่องตรวจจับนิวตรอนที่ไวต่อตำแหน่งได้รับการพัฒนาโดยใช้เทคโนโลยีของกล้องจับความโกรธ
• เครื่องตรวจจับแผ่นไมโครแชนเนล – เครื่องตรวจจับนิวตรอนที่ไวต่อตำแหน่งได้รับการพัฒนาโดยใช้เทคโนโลยีของเครื่องตรวจจับแผ่นไมโครแชนเนล

• Cates, GD, Day, D., Liyanage, N. (2004). "โครงสร้างโปรตอนที่ถูกผูกไว้ด้วยนิวตรอนเพื่อตรวจสอบที่มาของปรากฏการณ์ EMC" (PostScript) . Jefferson Lab . สืบค้นเมื่อ2005-06-09 .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link )
• Pozzi, SA, Mullens, JA และ Mihalczo, JT (2003). "การวิเคราะห์ตำแหน่งการตรวจจับนิวตรอนและโฟตอนสำหรับการสอบเทียบสารเรืองแสงพลาสติก (BC-420) และของเหลว (BC-501)" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 524 ( 1– 3 ): 92– 101. Bibcode : 2004NIMPA.524...92P . doi : 10.1016/j.nima.2003.12.036 . S2CID  122721397 .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link )
• Cecil, RA, Anderson, BD, Madey, R. (1979). "การทำนายประสิทธิภาพการตรวจจับนิวตรอนที่ดีขึ้นสำหรับสารเรืองแสงไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ 1 MeV ถึงประมาณ 300 MeV" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research . 161 (3): 439– 447. Bibcode : 1979NucIM.161..439C . doi : 10.1016/0029-554X(79)90417-8 .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link )
• คู่มือพื้นฐานด้านเครื่องมือวัดและการควบคุมของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เล่ม 2