Нейтронные детекторы — приборы для регистрации и определения энергетического спектра нейтронов. Нейтроны не обладают электрическим зарядом и не оставляют после себя треков из ионизированных и возбуждённых частиц, появление которых вызывает срабатывание большинства детекторов частиц. Поэтому нейтронные детекторы всегда содержит некоторое вещество — радиатор (конвертер), ядра которого при взаимодействии с нейтронами порождают заряженные частицы или γ-кванты. Для детектирования нейтронов используются различные виды взаимодействия нейтронов с ядрами.

Упругое рассеяние нейтронов на ядрах. Нейтроны, упруго рассеивающиеся на ядрах, передают им кинетическую энергию (энергию отдачи), которая завнеит от параметра удара, массы ядра и энергии налетающего нейтрона. Для лёгких ядер (¹Н, ²Н, Не) доля передаваемой энергии высока. При центральном ударе нейтрон передаёт протону всю энергию. Для регистрации ядер отдачи используются обычно пропорциональные счётчики, наполненные Н₂, СН₄ и ⁴Не до давлений р в несколько атмосфер. Их эффективность невелика (~ 10^-2 - 10^-4). Этим методом можно регистрировать только нейтроны с энергией несколько десятков кэВ, т. к. слабую ионизацию от ядер отдачи трудно выделить над шумами аппаратуры и фоном от γ-квантов. Для восстановления спектра регистрируемых нейтронов необходимо измерять помимо энергии протона угол между траекториями нейтрона и протона. Это осуществляется в трековых детекторах — пропорциональных и пузырьковых камерах, годоскопах счётчиков, фотоэмульсиях и т. д.

Для детектирования нейтронов больших энергий обычно используются сцинтилляционные детекторы с органическими сцинтилляторами (содержащие много водорода) значительных размеров, в которых пробеги протонов отдачи велики (при энергии ~ 100 МэВ в воде ~ 10 см). Спектры нейтронов больших энергий измеряются по отклонению протонов отдачи в магнитном поле. Однако этот метод пригоден только для интенсивных потоков нейтронов, т. к. толщина радиатора должна быть мала, чтобы в нём протоны отдачи не испытывали заметного торможения; достаточно малым должен быть и используемый телесный угол, в котором протоны вылетают из радиатора. Для энергий ~ 1 ГэВ регистрация нейтронов по протонам отдачи становится малоэффективной, т.к. сечение упругого рассеяния, продолжая монотонно падать, становится меньше сечения множест¬венного рождения частиц.

Ядерные реакции с вылетом заряженных частиц. Для детектирования нейтронов обычно применяют 3 реакции (табл.1).

Пробеги в веществе α-частиц и протонов малы, поэтому ядра ³Не, ⁶Li, ¹⁰В обычно вводятся внутрь газоразрядных, сцинтилляционных и других детекторов. Иногда радиатор в виде твёрдого химического соединения ¹⁰В наносится тонким слоем на внутреннюю поверхность газоразрядного детектора, однако из-за сильного поглощения ядер ⁷Li и α-частиц в самом радиаторе такие нейтронные детекторы по эффективности уступают детекторам, наполненным газообразными радиаторами ¹⁰ВР₃, ¹⁰ВСН₃, ⁸Не. Из-за «прилипания» электронов к ионам не удаётся создать газовый нейтронных детекторов с р > 1 атм. Исключение — нейтронный детектор с ³Не {р < 10 атм), которые имеют эффективность порядка 100% для тепловых нейтронов.

Цилиндрические газоразрядные нейтронные детекторы работают в режимах ионизационной камеры, пропорционального счётчика, счетчика Гейгера и др. Наиболее распространён пропорциональный режим, т. к. он позволяет отделить но амплитуде импульсы нейтрона от обычно сопутствующего фона γ-квантов. Импульс на выходе нейтронного детектора запаздывает относительно момента захвата нейтрона на время дрейфа электронов в газе до анода (5 мкс), что определяет разрешающее время τ нейтронного детектора.

С увеличением энергии эффективность падает. Поэтому при регистрации быстрых нейтронов нейтронные детекторы окружаются водородсодержащим веществом, в котором происходит замедление нейтронов (это увеличивает τ до 50 мкс). В счётчике Хансена — МакКиббена подбором конфигурации замедлителя достигается практически постоянная эффективность в диапазоне энергий ~10 кэВ — 5 МэВ. Энергию детектируемых нейтронов в диапазоне энергии 0,1—2 МэВ можно определить с помощью пропорционального счётчика, наполненного ³Не по смещению пика амплитудного распределения, соответствующего энергии, выделяемой при реакции ³Не (n, р)³Н, Q = 0,764 МэВ.

При высоких плотностях ³Не для регистрации р и t пользуются сцинтилляционным детектором, причём сцинтиллятором служит сам ³Не. Это приводит и к сокращению τ до 10 нс. Сцинтилляционный метод применяется и для регистрации продуктов реакций ¹⁰В(n,α)⁷Li, ⁶Li(n, α)³Н. При этом порошок ¹⁰В или соединения ⁶Li смешиваются с порошком сцинтиллятора ZnS (Ar). Т. к. такая смесь слабопрозрачна, то её можно использовать только в тонких слоях, т. е. для тепловых нейтронов. Более прозрачны борсодержащие жидкие и пластические сцинтилляторы и литиевые стёкла.

Деление ядер под действием нейтронов. Разлетающиеся осколки деления, обладая большой энергией (~80 МэВ на 1 осколок), образуют на выходе нейтронного детектора импульс с амплитудой в 50—100 раз большей, чем в предыдущих случаях. Радиаторами служат ²³³U (сечение деления для тепловых нейтронов σ_f  = 533 барн), ²³⁵U(σ_f = 580 барн), ²³⁹Рu (σ_f = 750 барн). Внутренняя поверхность ионизационной камеры покрывается тонким слоем делящихся веществ (намера деления). Т. к. пробег осколков в радиаторе мал (8 мг^.см^-2), то даже для толстого слоя ²³⁵U эффектнвность для тепловых нейтронов <0.1%. Для увеличения эффективности камеры делаются многослойными (до 20 слоев). Для снижения собственного фона от спонтанного α-распада делящихся ядер оптимизируют давление газа в камере и расстояние между электродами (пробеги у осколков меньше, чем у α-частиц, и плотность ионизации для них в начале трека больше, чем в конце, а для α-частиц — наоборот). Для медленных нейтронов эфективность η ~ E_n^-1/2 и имеет резонансные максимумы в области E_n ~ 0,5—100 эВ. Для быстрых нейтронов эффективность камер деления ещё меньше (~10^-5 на 1 слой). Быстрые нейтроны удобнее регистрировать радиаторами из ²³⁸U bлb ²³²Тh, у которых σ_f для тепловых нейтронов <10^-5 барн.

Наиболее простой способ регистрации осколков и их пространственных распределений — по дефектам образованных осколками в приповерхностных слоях некоторых твёрдых прозрачных материалах. Т. к. эффективность у камер деления низкая, они используются для детектирования интенсивных потоков нейтронов, например в системах управления ядерными реакторами.

Возбуждение искусственной радиоактивности под действием нейтронов используется для регистрации нейтронов, особенно при измерениях плотности потока нейтронов, так как число распадов (активность) пропорционально потоку нейтронов, прошедшему через вещество (измерение активности можно производить после прекращения облучения нейтронами). Существует большое количество различных изотопов, применяемых в качестве радиоактивных индикаторов нейтронов разных энергий E. В тепловой области энергий наибольшее распространение имеют ⁵⁵Mn, ¹⁰⁷Ag, ¹⁹⁷Au: для регистрации резонансных нейтронов применяют ⁵⁵Mn (E = 300 эв), ⁵⁹Co (E =100 эв), ¹⁰³Rh, ¹¹⁵In (E = 1,5 эв), ¹²⁷I (E = 35 эв), ¹⁰⁷Ag, ¹⁹⁷Au (E = 5 эв). В области больших энергий используют пороговые детекторы ¹²C (E = 20 Мэв), ³²S (E = 0,9 Мэв) и ⁶³Cu (E = 10 Мэв)

Эффективность регистрации быстрых нейтронов перечисленными детекторами в сотни раз меньше, поэтому быстрые нейтроны предварительно замедляют в парафиновом блоке, окружающем Н. д. (см. Замедление нейтронов). Специально подобранные форма и размеры блоков позволяют получить практически постоянную эффективность регистрации нейтронов в диапазоне энергии от нескольких кэв до 20 Мэв (всеволновой счётчик). При непосредственном детектировании нейтронов с энергиями ~ 100 кэв обычно используется упругое рассеяние нейтронов в водороде или гелии или регистрируются ядра отдачи. Так как энергия последних зависит от энергии нейтронов, то такиедетекторы позволяют измерять энергетический спектр нейтронов. Сцинтилляционные детекторы также могут регистрировать быстрые нейтроны по протонам отдачи в органических и водородсодержащих жидких сцинтилляторах. Некоторые тяжёлые ядра, например ²³⁸U и ²³²Th, делятся только под действием быстрых нейтронов. Это позволяет создавать пороговые нейтронный детекторы, служащие для регистрации быстрых нейтронов на фоне тепловых.

Для регистрации продуктов ядерных реакций нейтронов с ядрами В и Li, протонов отдачи и осколков деления используются также ядерные фотографические эмульсии. Этот метод особенно удобен в дозиметрии, так как позволяет определить суммарное число нейтронов за время облучения. При делении ядер энергия осколков столь велика, что они производят заметные механические разрушения. На этом основан один из способов их обнаружения: осколки деления замедляются в стекле, которое затем травится плавиковой кислотой; в результате следы осколков можно наблюдать под микроскопом.