Вероятность вызвать одну из реакций, полезных для обнаружения медленных нейтронов, выражается величиной ее нейтронного сечения (см. таблицу). Эти величины относительно велики для медленных нейтронов, но уменьшаются на несколько порядков для быстрых нейтронов. Поэтому детекторы медленных нейтронов, такие как трубка из трифторида бора, становятся неэффективными для прямого обнаружения быстрых нейтронов. Один из методов повышения эффективности — окружить детектор материалом, который эффективно замедляет быстрые нейтроны. Например, слой полиэтилена толщиной 20-30 сантиметров заставит некоторые падающие быстрые нейтроны многократно рассеиваться от присутствующих ядер водорода, отдавая при этом энергию. Часть этих замедленных нейтронов затем может попасть в детектор в виде медленных нейтронов с высокой вероятностью взаимодействия. Поскольку процесс замедления скрывает любую информацию об исходной энергии быстрого нейтрона, эти устройства полезны только в простых системах подсчета нейтронов.
Предпочтительной реакцией преобразования для прямого обнаружения быстрых нейтронов, как правило, является взаимодействие упругого рассеяния. Образующиеся ядра отдачи могут поглотить значительную часть энергии исходного нейтрона за одно рассеяние и затем отдать эту энергию таким же образом, как и любая другая заряженная частица. Рассеянный нейтрон, теперь уже с меньшей энергией, может либо покинуть детектор, либо снова вступить во взаимодействие в другом месте его объема. Наиболее распространенной мишенью для рассеяния является водород, и быстрый нейтрон может передать до всей своей энергии за одно столкновение с ядром водорода. Количество переданной энергии зависит от угла рассеяния, который в водороде охватывает континуум от нуля (что соответствует рассеянию под углом падения) до полной энергии нейтрона (что соответствует лобовому столкновению). Таким образом, когда моноэнергетические быстрые нейтроны ударяют в материал, содержащий водород, образуется спектр протонов отдачи, энергия которых колеблется между этими пределами. Некоторая информация об исходной энергии нейтронов может быть получена путем регистрации спектра высоты импульса с водородсодержащего детектора. Этот процесс обычно включает применение компьютерного кода деконволюции к измеренному спектру и является одним из немногих доступных методов экспериментального измерения энергетических спектров быстрых нейтронов.
В результате рассеяния быстрых нейтронов на водороде образуется энергичное ядро водорода, или протон отдачи. Один из типов детекторов, основанных на этих протонах отдачи, — пропорциональный счетчик, содержащий водородный газ. Можно использовать чистый водород, но более распространенным выбором является более тяжелый углеводород, такой как метан, в котором диапазон результирующих протонов отдачи обычно достаточно короткий, чтобы быть полностью остановленным в газе. Протоны отдачи также могут генерироваться и обнаруживаться в органических жидких или пластиковых сцинтилляторах. В таких случаях на единицу объема приходится гораздо больше ядер водорода, чем в газе, поэтому эффективность обнаружения быстрых нейтронов может быть во много раз выше, чем в пропорциональном счетчике.
