Водород обладает уникальной способностью поглощать энергию быстрых нейтронов значительно сильнее, чем другие элементы. Когда любое вещество содержащее водород, подвергается облучению быстрыми нейтронами, атомы водорода поглощают их энергию и создают при этом тепловые нейтроны (нейтроны малой энергии). Количество нейтронов, замедленных для тепловой энергии, прямо пропорционально концентрации атомов водорода, а значит, плотности вещества.
Примерно одинаковый вес ядер водорода и нейтронов является причиной обратного рассеивания нейтронов , на явлении которого основана возможность определения водородосодержащих веществ. В качестве иллюстрации механизма воздействия нейтронов на ядра водорода можно рассмотреть шар для игры в кегельбан (в котором присутствуют ядра атомов не водорода, а других элементов), красный шар (ядра водорода) и белый шар (нейтроны).
Если белый шар «выстреливает» по неподвижному шару кегельбана, то белый шар будет перепрыгивать через шар кегельбана, не сдвигая его. Большая разница в массе не позволит передать какое-либо существенное количество энергии этому шару от белого шара.
С другой стороны , если белым шаром «выстреливают» по неподвижному красному шару, то красный шар будет смещен по направлению силы, прикладываемой белым шаром. При этом будет происходить передача энергии.
После нескольких таких ударов энергия белого шара или нейтрона, снизится до уровня, называемого тепловым диапазоном. Достигнув диапазона, соответствующего тепловой энергии, нейтрон может быть захвачен и таким образом может быть обнаружен тепловым нейтронным детектором. Эти детекторы могут захватывать или обнаруживать только тепловые нейтроны и не способны определить наличие быстрых нейтронов, излучаемых источником.
Источник, излучающий поток медленных нейтронов, и специальные газонаполненные ионизационные камеры, обладающими большой областью сбора, располагаются внутри одного компактного корпуса, устанавливаемого на внешней стороне стенки коксового барабана. При этом положении быстрые нейтроны, излучаемые источником, легко проникают через стальную сетку сосуда.
Любое водородосодержащее вещество, например, газ, пена, кокс или вода, находящееся на расстоянии не более 18 дюймов от внутренней стороны стенки, на которой расположен сенсор, будут поглощать энергию нейтронов, пропорционально своей плотности. Когда энергия нейтронов снижается присутствующим в обрабатываемом веществе водородом до теплого уровня, они подвергаются обратному рассеиванию (отражению) через стенку сосуда к детекторам. Эти рассеянные нейтроны, замедленные до тепловой энергии, собираются детекторами, в которых генерируется ток.
Ток, созданный детектором, усиливается передатчиком, работающим на основе компьютера, и масштабируется для создания 4-20 мА токового сигнала, пропорционального плотности вещества в барабане. Выходной 4-20 мА сигнал может использоваться системой аварийной сигнализации, подаваться на устройство регистрации или распределенную систему управления.
Зная связь между концентрацией присутствующих в веществе молекул углеводорода и количеством рассеянных нейтронов, прибор способен отличить газ от пены, кокса или закаливающей (охлаждающей) воды. Наблюдение за величиной выходного сигнала системы позволяет получить оператору информацию не только о моменте, когда обрабатываемое вещество достигнет уровня детектора, но и о том, какое вещество находится на этом уровне.
Эффективность захвата тепловых нейтронов детекторами близко к 100%. Кроме высокой скорости захвата механизм захвата тепловых нейтронов приводит к генерации сигнала, который в 1000 раз больше, чем производимый гамма- детектором в аналогичном случае. Поэтому система, работающая на основе обратного рассеивания нейтронов, позволяет выполнить измерения с большим разрешением, с меньшим значением постоянной времени, меньшими статистическими шумами и более слабым радиоактивным источником по сравнению с системами, использующими гамма-излучение.
