Введение. Ядерные реакции, используемые для детектирования нейтронов условно можно разделить на две группы:

Ядерные реакции, используемые для детектирования нейтронов условно можно разделить на две группы:

1. Реакции (n,p), (n,α), (n,f) и др., при протекании которых возникают заряженные частицы;

2. Реакции (n,γ), (n,2n), (n,n’), (n,f) и др., в которых возникают радиоактивные ядра, а детектируемые заряженные частицы и гамма кванты испускаются при распаде этих ядер.

В соответствии с выбранной для детектирования нейтронов ядерной реакцией можно классифицировать средства для измерений в нейтронных полях:

1. Средства для оперативного контроля изменений параметров нейтронного поля во времени (нейтронные счетчики, ионизационные камеры). Как правило, такие детекторы имеют значительные объёмы и массы конструкционных материалов, вследствие чего велико возмущение, вносимое ими в нейтронное поле.

2. Средства для измерений пространственных изменений локальных параметров нейтронного поля с помощью помещаемых в нейтронное поле образцов. Как правило, вносимые в нейтронное поле образцы имеют незначительные объёмы и массы, вследствие чего возмущение, вносимое ими в нейтронное поле, невелико и может быть учтено (см. стр. 53). Исследования нейтронных полей с помощью помещаемых в них образцов получили обобщенное название активационного метода детектирования нейтронов.

Энергетические зависимости сечений ядерных реакций активации разнообразны:

- сечение изменяется по закону 1/ v (v- скорость нейтрона);

- сечение мало всюду, кроме узкого интервала, где его величина резко увеличивается на несколько порядков (резонанс);

- сечение равно нулю, пока энергия нейтронов не увеличивается до некоторого порогового значения;

Измерив активность (числа распадов в единицу времени) облученных в нейтронном поле образцов, отличающихся чувствительностью к нейтронам в разных энергетических диапазонах, можно сделать оценки энергетического распределения плотности потока (спектра) нейтронов, облучавших образец [16].

Основные достоинства активационного метода детектирования нейтронов состоят в следующем:

- образцы подходящих форм и размеров могут быть помещены внутрь реактора;

- образцы не чувствительны к другим видам излучения реактора;

- образцы в меньшей степени, чем другие нейтронные детекторы, возмущают своим присутствием нейтронное поле.

Процедура измерений с образцами включает несколько обязательных этапов:

- облучение образца в экспериментальной установке;

- извлечение образца из установки и транспортировку в измерительную лабораторию (и, если необходимо, высвечивание - ожидание распада короткоживущих продуктов реакции);

- регистрацию продуктов распада радиоактивных ядер в образце;

- обработку результатов измерения (определение активности насыщения и других представляющих интерес параметров, внесение поправок на возмущение нейтронного поля).

Основные понятия и соотношения

Активация - процесс образования радиоактивных атомов в результате поглощения нейтронов в образце.

Скорость реакции активацииR - число радиоактивных ядер, образующихся за 1 секунду в образце помещенном в поле тепловых нейтронов:

. (3.1)

где: S _act (Е)=γσ_act(Е) - макроскопическое сечение реакции активации;

σ_аct(Е) - микросечение реакции активации;

γ - плотность ядер в образце;

К₁ - поправка на возмущение нейтронного поля образцом (см. также стр. 52);

Ф(Е,Т) -дифференциальное энергетическое распределение плотности потока тепловых нейтронов (спектр Максвелла);

Т – температура нейтронов в спектре Максвелла;

V – объем облучаемого образца;

N₀ = γV - число атомов в образце.

Скорость реакции (3.1) можно переписать тождественным образом:

, (3.2)

где: - усредненное по спектру плотности потока нейтронов микросечение реакции активации;

- интегральная плотность потока нейтронов;

n - плотность нейтронов;

- средняя скорость нейтронов;

- усредненное по спектру плотности потока нейтронов макросечение реакции активации.

Соотношение (3.2) выражает скорость реакции R через интегральную плотность потока нейтронов Ф и усреднённое по спектру плотности потока нейтронов микросечение . Оно может быть использовано для определения интегральной плотности потока нейтронов Ф(Т).

Усреднённое по спектру плотности потока нейтронов сечение может быть выражено через σ_act(v₀) – сечение реакции активации при наиболее вероятной скорости нейтронов v₀ = 2200 м/с в спектре Максвелла при Т=293,6 К:

. (3.3b)

Наряду с накапливанием в образце радиоактивных атомов происходит их распад. Изменение числа радиоактивных атомов в образце описывается уравнением:

, (3.4)

где: N(t) – число образовавшихся в образце радиоактивных атомов;

l = ln(2) / Т_1/2 - постоянная распада образовавшихся атомов;

l N(t) - скорость распада накопившихся в образце атомов.

Интегрируя уравнение (3.4) c нулевыми начальными условиями можно получить выражение для числа радиоактивных атомов, накопившихся в образце за время облучения t:

. (3.5)

Активность образца А(t₀,t) равна отношению числа самопроизвольных распадов радиоактивных ядер dN(t) в образце за малый интервал времени dt к этому интервалу времени:

. (3.6)

В системе СИ единица активности – Беккерель (Бк). 1 Бк равен одному ядерному превращению за 1 с.

Ранее широко использовалась другая единица активности – Кюри (Кu). 1 Кu равен 3.7*10¹⁰ ядерных превращений за 1 с.

Активность образца в момент окончания облучения t_o:

. (3.6a)

Если время облучения t >> 1/l, то А(t) приближается к асимптотическому значению A_S

, (3.7)

называемому активность насыщения. Активность насыщения обычно используют для представления и сопоставления результатов измерений активности образцов.

Если сравнить (3.2) и (3.6), то можно заключить, что в состоянии насыщения скорость образования радиоактивных ядер равна скорости их распада. Практически, состояние насыщения достигается через (5 - 6) Т_1/2.

С учетом (3.7) выражение (3.6а) принимает вид:

. (3.8)

Между моментом окончания облучения образца и началом измерения его активности проходит некоторое время, называемое временем высвечивания t_в, в течение которого часть радиоактивных атомов распадается. Активность образца на момент начала измерений равна

. (3.9)

Зарегистрированное за время измерений t_и число продуктов распада радиоактивных ядер в образце выражается соотношением

. (3.10)

где: ;

w - абсолютная интенсивность (выход) регистрируемого излучения на 1 распад;

К₁ - поправка на возмущение нейтронного поля образцом;

К_С - поправка на поглощение детектируемого излучения образцом (см. (3.13));

К₂ – поправка, учитывающая потери информации в электронном тракте (см. стр. 21);

К₃ - коэффициент, учитывающий накапливание и распад нестабильных ядер в радиаторе;

e - эффективность регистрирующего устройства.

Выражение (3.10) позволяет вычислить A_S и Ф, если известны все использованные в нем параметры:

, (3.11)

, (3.12)

где N ₀ – число ядер в образце.

Приведенные формулы позволяет выявить характерные особенности метода:

- накапливание радиоактивных ядер ограничено величиной активности насыщения, более 99% которой достигается за время 5 Т_1/2;

- половину информации о накопившихся ядрах можно получить за время измерений равное Т_1/2 и более 99% за время 5 Т_1/2.

Существуют задачи, для решения которых требуется определение абсолютной активности образцов, например, для определения абсолютной величины интегральной плотности потока нейтронов. При решении других задач достаточно проследить за относительными изменениями потока в пространстве или во времени.

Date: 2015-07-01; view: 536; Нарушение авторских прав