Спектрометрия нейтронов. 1. Грубые методы оценки энергетических распределений нейтронов
 Скачать 1.53 Mb.
|
|
3. Использование ядерных реакций для спектрометрии нейтронов. Общая схема метода. Экзотермические (n, р) и (n, α) реакции с вылетом заряженных частиц можно использовать для определения энергии нейтронов по энергии вторичных частиц. Если реакция А (n, b) В происходит под действием медленного нейтрона, кинетической энергией которого можно пренебречь, то суммарная энергия продуктов реакции (частицы b и ядра В) равна энергии реакции Q. Поскольку в газовых ионизационных камерах и пропорциональных счетчиках количество возникающих пар ионов определяется выделившейся суммарной энергией, амплитуда сигнала оказывается пропорциональной Q. Если же реакция А (n, b) В происходит под действием быстрого нейтрона, то энергия последнего Е добавляется к энергии Q, в результате суммарная ионизация и амплитуда сигнала оказываются пропорциональными Q + Е. Таким образом, разность амплитуд сигналов от реакции, вызываемых медленными и быстрыми нейтронами, пропорциональна энергии последних, что и предопределяет возможность проведения спектрометрических измерений. При этом стоит подчеркнуть, что в отличие от метода ядер отдачи в данном методе амплитуды сигналов от нейтронов с одинаковой энергией имеют одно и то же значение, в результате намного упрощается интерпретация получаемых в ходе эксперимента результатов. Выбор рабочих веществ. Для спектрометров описываемого типа рабочие вещества выбираются из следующих условий: 1) на ядрах выбираемого вещества должна идти только одна экзотермическая реакция с вылетом заряженных частиц, так как в противном случае амплитудный спектр импульсов окажется очень сложным и его трудно будет интерпретировать; 2) сечение реакции должно быть достаточно большим в широком интервале энергий нейтронов, начиная от самых медленных и кончая нейтронами с энергиями порядка нескольких мегаэлектронвольт. Очевидно, что это условие лучше всего выполняется в области легких ядер, так как в тяжелых ядрах высокие кулоновские барьеры затрудняют вылет заряженных частиц, поэтому относительные вероятности реакции рассматриваемого типа оказываются невысокими; 3) зависимость сечения реакции от энергии нейтронов должна быть как можно проще, без резких пиков и провалов, в противном случае расшифровка получаемых данных будет сильно затруднена; 4) энергия реакции Q не должна быть очень большой, так как при меньших ее значениях легче получить более высокое энергетическое разрешение. В самом деле, отношение амплитуд сигналов от нейтронов с энергиями Е1 и Е2 равно (Q + E1)/(Q + Е2). При Q → ∞ это отношение стремится к единице, т. е. сигналы от нейтронов разной энергии становятся неразличимыми, тогда как при Q → 0 отношение сигналов стремится к своему максимальному значению, равному Е1/Е2. Можно применять также и эндотермические реакции, но при этом, естественно, оказывается возможным измерять спектр нейтронов лишь в области энергий Е ≥ Епор. Поэтому, если желательно измерять спектры нейтронов, начиная с малых энергий, то приходится использовать экзотермические реакции с небольшими Q. Правда, при очень малых значениях Q сигналы от медленных нейтронов настолько малы, что их становится трудно регистрировать. Лучше всего, чтобы энергия Q была порядка 0,1-1 Мэв. При Q = 0,5 Мэв различие сигналов от медленных нейтронов и нейтронов с энергией 100 кэв составляет 20%, тогда как при Q = 5 Мэв это различие равно всего 2%; 5) химические и технологические свойства рабочего вещества позволяют изготовить детектор, в котором энергию обеих частиц продуктов реакции можно измерить с высоким энергетическим разрешением и высокой эффективностью. Лучше всего, если рабочее вещество можно ввести непосредственно либо в газ ионизационной камеры или счетчика, либо в состав сцинтиллирующего кристалла. Использование слоев вещества на стенках камеры хотя и допустимо, но нежелательно, так как ионизационные потери энергии в слое всегда будут приводить к ухудшению энергетического разрешения метода. 4. Метод времени пролета. Принципиальные основы метода. Энергию нейтрона можно легко найти, если известна его скорость, причем в области энергий до нескольких десятков мегаэлектронвольт вполне удовлетворительную точность расчета обеспечивает нерелятивистское соотношение Е = mnv2 /2. В свою очередь, скорость нейтрона можно определить, измерив время пролета им некоторого фиксированного расстояния. Основанный на таком подходе метод измерения энергий нейтронов получил название метода времени пролета. Чтобы измерить время пролета нейтроном заданного отрезка, называемого обычно пролетной базой, необходимо точно зафиксировать моменты прохождения им начала и конца пути. Последний легко можно определить по появлению импульса в детекторе, расположенном на конце пролетной базы. Момент начала движения фиксируется или по появлению импульса в установленном рядом с источником нейтронов детекторе от сопутствующей рождению нейтрона заряженной частицы, или по импульсу от протона отдачи в водородном счетчике, или по времени «вспышки» в импульсном источнике нейтронов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Так, метод с использованием водородного счетчика очень прост, однако изменение характеристик движения нейтрона при рассеянии и низкая эффективность водородного рассеивателя делают этот метод не очень удобным. Если нейтроны возникают при реакции D (d, n)3Не, протекающей на мишени ускорителя, то момент вылета нейтрона можно фиксировать регистрацией ядра отдачи 3Не. В некоторых случаях одновременно с нейтроном возникают γ-кванты, которые также легко зарегистрировать расположенным рядом с мишенью счетчиком. Совершенно очевидно, что интенсивность выхода нейтронов во всех таких случаях не должна быть высокой, так как нейтрон должен успеть долететь до дeтектора и зарегистрироваться в нем до того, как первый детектор зафиксирует возникновение следующего нейтрона. Новый метод основан на применении импульсного источника нейтронов. В таком источнике нейтроны появляются только в течение коротких интервалов времени τн , разделенных гораздо более длительными периодами «(молчания» Т (рис. 4.1).    Рис. 4.1. Измерения методом времени пролета с использованием импульсного источника: а - схема опыта; б - распределение во времени вспышек источника; в - распределение во времени импульсов в детекторе Частоту следования нейтронных вспышек выбирают с таким расчетом, что. самые медленные нейтроны успевали долететь до детектора раньше, чем в него попадут быстрые нейтроны от следующей вспышки. В противном случае медленные нейтроны от предыдущих вспышек, называемые обычно рециклическими, приведут к появлению нежелательного фона затрудняющего анализ получаемых результатов. Одновременно с появлением нейтронной вспышки запускается временной анализатор, на который затем начинают поступать импульсы от детектора нейтронов. В зависимости от времени, которое затрачено нейтроном на пролет расстояния от источника до детектора, вызванный им импульс будет зарегистрирован тем или иным каналом анализатора. В результате многокрастного повторения циклов в каждом канале анализатора накопится некоторое число отсчетов, пропорциональное количеству нейтронов с соответствующей этому каналу энергией. Поэтому, определив в конце опыта количество импульсов, которое зарегистрировано каждым каналом, можно построить кривую распределения нейтронов по времени пролета, которую затем нетрудно пересчитать в распределение по энергиям, найдя тем самым энергетический спектр нейтронов источника. Связь между энергией Е, скоростью υ и временем t пролета нейтроном базы [ выражается элементарными соотношениями:  4.1. Основные типы установок, работающих по методу времени пролета. В настоящее время существует много типов установок, которые предназначены для измерения спектров нейтронов методом времени пролета; различаются они главным образом характеристиками источников нейтронов, а также видами применяемых детекторов. В каждом интервале энергий используются определенные разновидности таких установок, характеризующиеся своими специфическими особенностями. Условно можно разбить нейтроны на три основных интервала энергий: тепловые (Е < 0,4 эв), промежуточные (0,4 эв < Е < 10 кэв) и быстрые (Е > 10 кэв). А. Тепловые нейтроны Механический селектор. Для измерений спектров медленных нейтронов, выходящих, например, из блоков замедлителей или отражателей тепловых реакторов, непрерывный пучок нейтронов перекрывается непрозрачным затвором. Этот затвор открывается лишь на короткие по сравнению с длительностью пролета нейтронов интервалы времени, пропуская порцию нейтронов, которые затем анализируются по энергиям методом времени пролета. Такое устройство называется обычно механические селектором нейтронов. Схема типичного селектора нейтронов показана на рис. 4.2. На пути выходящего из реактора пучка нейтронов помещается вращающийся ротор, который пересекается по диаметру пакетом параллельных пластинок из кадмия с тонкими щелями между ними. Нейтроны проходят через ротор только в те моменты времени, когда щели параллельны (или почти параллельны) оси нейтронного пучка. Для запуска временного анализатора в эти моменты используются стартовые импульсы от фотоэлемента, на который при соответствующих положениях ротора падает отраженный от маленького зеркальца пучок света.  Рисунок 4.2 - Механический селектор медленных нейтронов: 1 - защита реактора; 2 - источник света; 3 - фотоэлемент; 4 - зеркальце; 5 -ротор; 6 - детектор нейтронов  Рис. 4.3. Прохождение нейтронов через одну из щелей вращающегося ротора |