Методика нейтронного спектрометрического анализа, Физическая сущность методики - Нейтрон-спектрометрический анализ изотопного состава обогащенных проб гафния

Физическая сущность методики

В связи с отсутствием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с электронами атома мало по сравнению с сечением взаимодействия с атомным ядром. Нейтроны сталкиваются главным образом с ядрами атомов, входящих в состав вещества. Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы - медленные (тепловые) и быстрые нейтроны. Приблизительные границы этих энергетических групп представлены в таблице 1.

Таблица 1

Классификация нейтронов по энергии.

Энергия нейтронов

Типы нейтронов

< 1 кэВ

Медленные нейтроны

> 1 кэВ

Быстрые нейтроны

Взаимодействие нейтронов с веществом имеет резонансный вид, то есть график интенсивности взаимодействия в зависимости от энергии имеет ярко выраженные максимумы при определенных энергиях (рис.), а значит нейтроны с определенной энергией будут взаимодействовать с веществом лучше, чем нейтроны других энергий.

график энергетической зависимости полного нейтронного сечения всех изотопов гафния

Рис. 1 График энергетической зависимости полного нейтронного сечения всех изотопов гафния

В результате при пропускании пучка нейтронов через вещество, часть нейтронов с определенной энергией, провзаимодействуют с ним и не пролетят через вещество. Таким образом наличие хорошо изученных резонансов в энергетической зависимости полного нейтронного сечения практически всех изотопов приводит к появлению провалов в спектре энергетической зависимости пропускания нейтронов через исследуемый образец по следующему закону:

T(t, E) = exp(-у(E)t)

Положение же провалов по энергетической оси соответствует положению пиков в полном ядерном сечении, что позволяет однозначно определить изотоп, которому принадлежит провал, а по выраженности провала можно определить количество изотопа. На этом явлении резонансов и основан метод нейтронного спектрального анализа.

Практическая реализация нейтронного спектрального анализа сводится к измерениям энергетической зависимости T(t, E) пропускания резонансных нейтронов сквозь исследуемый образец (в данной работе исследуемым веществом был гафний различных изотопных композиций). Для тяжелых ядер наблюдаются максимумы резонансов в области медленных нейтронов. Ее главным преимуществом является то, что НСА применим практически ко всем изотопом, всех элементов.

Первоначально методика начиналась для задач внешнего цикла - уточнение расчетов выгорания урана и накопления плутония в энергетических реакторах. Отработка же методики ведется на стабильных и малоактивных образцах.

Задача контроля изотопного состава ЯМ решается обычно путем спектрометрии собственного гамма-излучения. Однако в случае ЯМ, используемых в критических экспериментах, появляется трудно отслеживаемый вклад гамма-активности осколков, весьма существенный даже при небольших облучениях, поскольку естественная радиоактивность ЯМ относительно невелика. Это значительно затрудняет использование гамма-спектрометрии.

НСА требует организации внешнего воздействия на объект пучком нейтронов с измерением их спектра. В данной работе измерение спектра пропускания осуществлялось методом времени пролета. Эта более сложная (по сравнению с анализом собственного гамма-излучения) методика обладает и большими возможностями. Она измеряет именно количество вещества, а не его радиоактивность. Из-за удаления детектора на метры от исследуемого объекта, требуемого в методике времени пролета, НСА не чувствителен не только к относительно небольшой активности топлива критических сборок, но и к высокой активности отработавшего ЯМ энергетических реакторов. Для ЯМ критических сборок, где количество ядер-продуктов деления пренебрежимо мало, спектры пропускания нейтронов не отличаются от спектров свежих УЕ, поскольку интенсивности линий поглощения в нейтронных спектрах пропорциональны количеству соответствующих ядер. В тех же случаях, когда в осколки деления переходит ощутимая часть ЯМ (топливо энергетических реакторов) и видны их линии, они не мешают измерению содержания изотопов U и Ри и также включаются в анализ.

Преимущества методики пропускания:

    1. Она - неразрушающая; следовательно, образец при желании можно вернуть в реактор для дальнейшего облучения. 2. Для неразрушающей методики она имеет весьма значительную точность. Хотя точность ядерных параметров лежит на уровне 10 процентов, использование эталонов позволяет подняться до точностей около 1 процента. 3. Ввиду дистанционирования образца и детектора на расстояниие свыше 10 метров методика практически нечувствительна к гамма-излучению радиоактивного образца. 2. Методы измерения и обработки

Точное определение функции Ц(E), описывающей распределение потока нейтронов по энергиям, является одной из труднейших задач экспериментальной ядерной физики. В настоящее время существует много способов найти функцию Ц(E), по измеренному распределению сигналов детектора: метод фильтров, метод резонансных индикаторов, метод пороговых индикаторов, метод ядер отдачи, метод времени пролета и др. Для наработки данных мне спектров пропускания использовался метод времени пролета.

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 = mv2/2. В свою очередь, скорость нейтрона можно определить, измерив время пролета им некоторого фиксированного расстояния. Основанный на таком подходе метод измерения анергий нейтронов получил название метода времени пролета. В настоящее время этот метод широко применяется для измерения энергий не только нейтронов, но и некоторых других частиц.

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 можно определить 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 D(d, я)Не3-реакции, протекающей на мишени ускорителя, то момент вылета нейтрона можно фиксировать регистрацией ядра отдачи Не3. В некоторых случаях одновременно с нейтроном возникают гамма-кванты, которые также легко зарегистрировать расположенным рядом с мишенью счетчиком. Совершенно очевидно, что интенсивность выхода нейтронов во всех таких случаях не должна быть очень высокой, так как нейтрон должен успеть долететь до детектора и зарегистрироваться в нем до того, как первый детектор зафиксирует возникновение следующего нейтрона. Принципиально иной метод основан на применении импульсного источника нейтронов. В таком источнике нейтроны появляются только в течение коротких интервалов времени, разделенных гораздо более длительными периодами "молчания" (рис. ). Частоту следования нейтронных вспышек выбирают с таким расчетом, чтобы 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.

Рис. 2

Одновременно с появлением нейтронной вспышки запускается временной анализатор, на который затем начинают поступать импульсы от детектора нейтронов. В зависимости от времени запаздывания импульсы детектора будут регистрироваться теми или иными каналами анализатора. 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 v и временем t пролета нейтроном базы l выражается элементарными соотношениями:

Связь функций ф (t) и F (Е) определяется соотношением:

Ф (t)dt = F(E)dE

Точность измерения энергии нейтронов рассматриваемым методом определяется точностью измерения времени пролета t, поскольку величина l в большинстве случаев может быть измерена практически сколь угодно точно. В свою очередь, неопределенность измерения величины t определяется:

    1. Конечной длительностью нейтронной вспышки Дtн; 2. Шириной канала временного анализатора Дta; 3. Разбросом интервалов времени между попаданием нейтронов в детектор и появлением электрического импульса Дtд;

Все эти погрешности, имеющие в разных установках различные абсолютные величины и относительные значения, складываются по тому или иному закону в общую неопределенность измерения времени пролета Дt, которая и определяет разрешение метода. Если все Дti являются независимыми, то

Очевидно что ширину канала анализатора Дta нет смысла делать много меньше длительности нейтронной вспышки и разбросом времен регистрации детектором. Поэтому ширина канала анализатора варьировалась мной уже в полученных спектрах, для выбора оптимального сглаживания.

Похожие статьи




Методика нейтронного спектрометрического анализа, Физическая сущность методики - Нейтрон-спектрометрический анализ изотопного состава обогащенных проб гафния

Предыдущая | Следующая