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.
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
-
Обычно, для различных интервалов энергий используют разные типы установок, которые предназначены для измерения спектров нейтронов методом времени...
-
Введение - Нейтрон-спектрометрический анализ изотопного состава обогащенных проб гафния
Измерения ядерных материалов (ЯМ) различными методами, является одним из необходимых направлений совершенствования, для решения ряда задач, таких как,...
-
Особенности обработки Погрешность данного метода вызвана: длительностью вспышки (0.5мкс), временем срабатывания анализатора (0.7мкс) и шириной канала...
-
Заключение - Нейтрон-спектрометрический анализ изотопного состава обогащенных проб гафния
За время выполнения дипломной работы, были получены знания о НСА и методах обработки спектров пропускания, приобретены навыки работы с программами...
-
Программное обеспечение Для подготовки, обработки спектров (представленных мне в виде файлов: hf177h, hf177l, hf178h, hf178l, hf180h, hf180l, hfnah и...
-
Позволяет определить погрешность полученной площади и окончательного содержания. Также использовались и другие программы: Otno - Программа используемая...
-
Приложение - Нейтрон-спектрометрический анализ изотопного состава обогащенных проб гафния
> Таблица ТАГАФ: Данные о силе резонансов полного сечения изотопов гафния и их положении по энергетической оси, а так же приведено аппаратурное...
-
Отбор пробы воды следует рассматривать как стадию, в значительной степени определяющую правильность последующего анализа, причем ошибки, допущенные в...
-
Моделирование в условиях противодействия, игровые модели - Основы теории систем и системного анализа
Как уже неоднократно отмечалось, системный анализ невозможен без учета взаимодействий данной системы с внешней средой. Ранее упоминалась необходимость...
-
Количественный анализ - это совокупность, химических, физико-химических и физических методов определения количественного соотношения компонентов,...
-
Методы непараметрической статистики - Основы теории систем и системного анализа
Использование классических распределений случайных величин обычно называют "параметрической статистикой" - мы делаем предположение о том, что...
-
Задание 1 - Анализ отобранных проб жидкости и газа
По данным таблицы 1.3. рассчитать значения коэффициентов: А=С2/С4; i-C4/n-C4; В=(C1+ГУ)/ПУ; Z=А+В и спрогнозировать месторождение (залежь) какого типа...
-
Гомоскедастичностью называется выполняемость предпосылки о постоянстве дисперсии отклонений. Гетероскедастичностью называется невыполняемость этой самой...
-
Использование трудовых ресурсов направлено: - на повышение уровня занятости трудоспособного населения; - на распределение работников по отраслям и сферам...
-
Проба брал на ГПУ г. Москвы "Природный заказника "Воробъевы горы"из реки Москва, с помощью стеклянной бутыли. Затем стеклянную бутыль опускал в реку и...
-
Сущность и основные условия применения корреляционного анализа В соответствии с сущностью корреляционной связи ее изучение имеет две цели: 1) измерение...
-
Показатели урожая и урожайности, их сущность, методика расчета Под урожаем сельскохозяйственная статистика понимает общий размер продукции данного вида...
-
Детекторы для ВЭЖХ - Высокоэффективная жидкостная хроматография
Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) используется для детектирования полярных нелетучих веществ, которые по каким-либо причинам не могут...
-
Наиболее представительные ионы и соответствующие им структуры помещены в таблицы, их используют при интерпретации масс-спектров. Кроме того сравнивают...
-
Задачи и методы количественного анализа - Основы аналитической химии
Количественный анализ - это совокупность химических, физико-химических и физических методов определения количественного соотношения компонентов, входящих...
-
АНАЛИТИКА Компиляция выдержек из различных источников - удельная б-активность U235 и U238 составляет соответственно 0,08 и 0,012 Бк/мкг (или 80 и 12...
-
Общая схема исследования: 1. Составление среднего образца. 2. Извлечение пестицидов из пробы. 3. Очистка экстракта. 4. Анализ экстракта. Прием образцов в...
-
Особенности анализа органических соединений
Особенности анализа органических соединений: - Реакции с органическими веществами протекают медленно с образованием промежуточных продуктов. -...
-
Анализ модели - Кинетические закономерности взрывного свечения азида серебра
Рассмотрим процесс развития реакции при произвольной степени разложения. Нас будет интересовать вид кинетических зависимостей концентрации носителей цепи...
-
Метод дихотомии требует менее всего итераций цикла для получения корней уравнения с заданной точностью. Если расчет ведется без помощи ЭВМ, то это...
-
Уровень науки и техники Надежность средств, с помощью которых человек достигает космоса высокая, но не идеальна. РН -- сложная конструкция, и даже в...
-
Основные задачи анализа временных рядов. Базисная цель статистического анализа временного ряда заключается в том, чтобы по имеющейся траектории этого...
-
Адсорбционные методы исследования свойств поверхности позволяют количественно охарактеризовать происходящие при адсорбции межмолекулярные взаимодействия,...
-
СУЩНОСТЬ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ Динамический или временной ряд представляет собой совокупность численных данных, характеризующих...
-
Основные предпосылки регрессионного анализа - Основы научных исследований
Методика РА создана с использованием некоторых предпосылок. Если они не выполняются, то корректное выполнение всех процедур РА приведет к неверным...
-
Отбор проб воды является очень существенным этапом в экоаналитическом контроле. Ошибки, возникающие при отборе проб, как правило, исправить не удается....
-
Газов в гомологическом ряду нет. Это жидкости. Начиная с С12Н25ОН до С20Н41ОН - маслообразные и с С21Н43ОН -- твердые вещества. Ткип СН3ОН=65 °С, Ткип...
-
Современные экономические теории и исследования опираются в значительной степени на использование математических моделей и методов анализа. Постоянно...
-
Общие вопросы Привести объекты судебно-химического (химико-токсикологического) анализа. Дать понятие "вещественным доказательствам". Значение наружного...
-
Данная контрольная работа состоит из двух частей - теоретической и практической. В теоретической части будет подробно рассмотрена такая важная...
-
Свойства веществ при низких температурах - Свойства веществ при низких температурах
Работы в области жидкого гелия представляют интерес в основном потому, что проводятся вблизи абсолютного нуля, т. е. при очень низких температурах. В то...
-
Алкильная составляющая с тем или иным весом входит в состав молекулы большинства органических соединений, по этой причине качество прогнозирования...
-
Найти при помощи метода ячеек значение интеграла , Где - область, ограниченная функциями . 2. Теоретическая часть Рассмотрим K-мерный интеграл вида: (1)...
-
Свойства жиров - Общая характеристика жиров
Животные жиры - твердые легкоплавкие вещества легче воды (плотность 0,91-0,94 г/см3), плохо проводят тепло. Большинство растительных масел - жидкости,...
-
ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР - Процесс катализа
Закон Аррениуса - экспериментально установленный факт. Он утверждает, что скорость реакции возрастает с увеличением температуры для преобладающего...
Методика нейтронного спектрометрического анализа, Физическая сущность методики - Нейтрон-спектрометрический анализ изотопного состава обогащенных проб гафния