Резонансный характер возбужденных состояний компаунд-ядер

Временной анализатор, на который поступают импульсы с  детектора и подается стартовый  сигнал, выполняет две основные функции. Во-первых, он служит электронными «часами», регистрируя по стартовому импульсу момент старта нейтронов и по импульсу детектора момент прихода нейтрона в детектор. Во-вторых, временной анализатор накапливает в своей памяти информацию о количестве нейтронов, пришедших в детектор в следующие друг за другом отрезки времени после стартового сигнала. Эти отрезки времени называют временными каналами анализатора (кратко, каналами). Каждому каналу соответствует ячейка памяти временного анализатора. С приходом стартового импульса во временном анализаторе открывается первый канал. Импульсы с детектора в течение интервала времени, равного ширине первого канала, записываются в первую ячейку памяти. Затем последовательно открываются второй, третий и т. д. каналы и соответственно переключаются ячейки памяти. После отработки последнего канала временной анализатор закрывается, а затем вновь запускается следующим стартовым импульсом, и весь цикл регистрации снова повторяется. Суммарное время всех каналов временного анализатора не должно превышать интервала времени между двумя последовательными импульсами нейтронов от источника, что исключает эффект рецикличности.

Режим ( n, γ) – детектора: Эффективность регистрации ( n , γ) – реакции на образцах, помещенных в детектор, должна быть выше, чем при регистрации одиночных гамма-квантов, т.к. в каскаде испускается несколько гамма-квантов.  Количественные оценки ε_γ для

детектора с указанными выше размерами представлены на рис.3. Расчеты выполнены в зависимости от толщины слоя сцинтиллятора для трехквантового  (кривая 3γ) и пятиквантового ( кривая 5γ ) каскадов, энергия связи в обоих случаях составляла 7,5 Мэв, а порог регистрации – 0,5 Мэв.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7. Расчетная эффективность регистрации радиационного захвата ε_γ в зависимости от толщины сцинтиллятора d для двух значений множественности в каскаде гамма-квантов.  

Площадь резонанса на экспериментальном спектре , параметры резонанса Г_γ , gГ_n , Г , известная функция параметров и толщины образца A (n , gГ_n , Г ),  эффективность ε_γ и  полное число нейтронов на единичный интервал энергии  П ( Е ), прошедших через образец, связаны соотношением:

(21) 

Результаты измерений величины ε_γ на ряде элементов  в режиме двойных совпадений с порогом 0,6 Мэв приведены  в таблице

Изотоп
εγ   %	10	7	23	29	26
Eсв , Мэв	7.2	7.6	7.8	7.2	6.8

Примечание: в режиме двойных совпадений  с порогом 0,25 Мэв эффективность ε_γ для указанных элементов примерно в два раза больше, чем ε_γ при 0,6 Мэв.

Существенным вопросом, возникающим при измерении радиационного захвата, является постоянство эффективности детектора для разных резонансов данного изотопа. Описанный детектор позволяет проводить контроль постоянства  ε_γ путем сравнения измерений в режимах одиночного счета с высоким порогом ( 3 Мэв ) и совпадений с низким порогом регистрации ( ≤  0,5 Мэв ). Изменение спектра, например, смягчение, приводит к увеличению множественности квантов в каскаде. Это увеличивает вероятность регистрации совпадений, но уменьшает счет в режиме одиночного счета с высоким порогом. Поэтому отношение  R площадей резонансов, полученных в измерениях с разными режимами, более чувствительно к изменению спектра, чем эффективность  в одном режиме совпадений. Таким образом, отклонение величин  R  для различных резонансов от их среднего значения является верхним пределом изменения эффективности от резонанса к резонансу.

Важной характеристикой детектора является его собственный фон. В режиме одиночного счета с порогом 0,6 Мэв он равен 3000 имп/сек, в режиме двойных совпадений с порогом 0,6 Мэв – 100 имп/сек и в режиме тройных совпадений с порогом 0,25 Мэв – 5 имп/сек.

Анализ характеристик детектора показывает, что он является универсальным для работ в области нейтронной спектроскопии. В режиме гамма-детектора его эффективность может достигать 50%. В режиме нейтронного детектора эффективность плавно меняется от 20 до 40 % для энергии нейтронов от 10 кэв и ниже при чувствительности к гамма-фону менее 0,1%. Это обеспечено благодаря применению резонансных поглотителей и регистрации совпадений каскадных гамма-квантов. Преимуществом детектора является его геометрия, при которой регистрирующая часть (фотоумножители и сцинтилляторы) находится вне пучка нейтронов. Это снимает перегрузки аппаратуры  в момент нейтронной вспышки.

 

Глава III

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Эксперимент

В нашем эксперименте ставилась задача: определить элементный и изотопный состав образца, привезенного из Монголии. Эксперимент проводился на пролетной базе длиной 58,3 м. Площадь образца составлял 314 см², а масса 547 г. Для того чтоб определить элементный и изотопный состав образца мишени, нам необходимо сделать следующий эксперимент.  Как показано на рисунке 4, нейтроны идущие от импульсного источника 1 проходят через коллиматор 2 без какой либо препятствии и регистрируются детектором 4. После необходимо регистрировать нейтроны, идущие от импульсного источника уже с исследуемым образцом 3 (Рис 4). Спектр двух этих экспериментов выглядит таким образом:

Рис.8. График налетающего нейтрона на детектор без образца и с образцом.

Из приведенного спектра видно, что кривые, соответствующие  двум экспериментам (с образцом и  без образца в пучке) существенно  различаются. Потенциальное рассеяние  на образце приводит к сдвигу линии спектра вниз. Кроме того, на спектре с образцом появляются провалы, соответствующие определенным энергиям резонансов (т.е. максимумов в зависимости поперечного сечения захвата нейтрона ядром от энергии нейтрона).  Число ядер идентифицированного изотопа можно определить, используя площадь данного провала.

Наиболее удобный метод для наблюдения нейтронных  резонансов и неразрушающего определения элементного и изотопного состава образцов является метод измерения радиационного захвата.  Схема такого эксперимента приведена на рисунке 6. Спектр, получаемый при таких измерениях, имеет несколько другой вид (Рис.9).

 

Рис.9. Времяпролетный спектр, полученный при измерениях с образцом латуни

 

3.2 Обработка экспериментальных данных

Усилиями многих лабораторий  в настоящее время накоплена  обширная экспериментальная информация о параметрах нейтронных резонансов практически всех стабильных и некоторых радиоактивных ядер. В соответствии с концепцией Бора о составном ядре нейтронный резонанс является долгоживущим ядерным состоянием, способ распада которого не зависит от путей его образования. Современная теория не в состоянии предсказывать параметры Г_n, Г_x, Е₀, J для индивидуальных резонансов. Эти параметры определяют экспериментально и их значения содержатся в Атласе нейтронных сечений. Зная энергии резонансов, мы легко определяем элементный и изотопный состав данного образца. Энергию резонанса, как было упомянуто выше, находим из простого соотношения.

 

(22)

t₀ – задержка времени между запуском временного анализатора и до момента образования импульса нейтронов (старт), 5 мкс;

Один резонанс находится 2291-м а другой 4495-м канале. Каждому каналу соответствует свое время: 1-4000 кан=250 нс= мкс, 4001-6000кан=1мкс, 6001-9200 кан=5мкс

Рис.10. Обрабатываемые нами  резонанс, который находится 2291-м канале

Рис.11. Обрабатываемый нами  резонанс, который находится 4495-м канале

Тогда энергия  резонансов:

55.33 эВ – это  резонанс неодим  , а 8.05 эВ – это резонанс самарий .

 

Следующая наша задача – это определение  количества этих элементов, т.е. число ядер данного вещества на квадратный сантиметр.

Нам понадобится уравнение содержащий в себе n, то есть число ядер на квадратный сантиметр. В (17) формуле А, площадь провала на кривой пропускания, как раз зависит от n. Воспользуемся формулой (18), чтобы найти А.

 

Табличные параметры (нейтронная и радиационная нейтронная ширина) найдем в Атласе нейтронных сечений. 

	(meV)	gГn (meV)	Г (meV)
(55.33)	75	20.65	111.71
(8.05)	66	135	336

 

Сумму отсчетов детектора по резонансу определили экспериментально.

1. (Nd, с вычитанным фоном ) = 464
2. (Sm, с вычитанным фоном) = 8694

Произведения потока на эффективность , и А нам пока неизвестно. Получается, мы имеем одно уравнение с двумя неизвестными. Чтобы решить его, нам нужен либо еще одно уравнение, либо мы должны как то найти одно из неизвестных. В нашей работе мы находили произведения потока на эффективность . Абсолютные прямые измерения требуют независимого определения фактора , что обычно оказывается трудной задачей. В относительных измерениях его исключают с помощью специального опыта с образцом-эталоном, для которого хорошо известны резонансные параметры. Мы уже определили элементный состав нашего образца, и знаем что в спектре присутствуют резонансы неодима и самария. Чтобы определить количество ядер, можно использовать эталонные образцы этих редкоземельных элементов или использовать эталонный образец другого элемента с близким значением эффективности гамма-детектора.

В данном случае, для нахождения использовались измерения с эталонным образцом серебра. По средствам высчитываемого коэффициента переходим к произведению потока на эффективность при энергии исследуемых резонансов:

В следующей  таблице приведены параметры  для эталонного образца серебра:

Эталоны	Масса эталона	Площадь образца – эталона	Монитор эталона
Ag	3.55 г	38.5 см2			16,3eV

( )=

( )=

Для определение  А используем следующию формулу:

(eV)

    (eV)

Величина ∆ - доплеровская ширина, учитывающее тепловое движение ядер.

, здесь А – массовое число;

1. ∆( ) – 0,1967эВ
2. ∆( ) – 0,073 эВ

, отсюда 

	(см2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Переходим к  количеству элементов.

Nd	Sm
1.2·1018·314 = 37.68·1019 ядер   37.68·1019      –    12.2%   Х           –    100%   Х = 30.88·1020 ядер	3.1·1017·314 = 9.73·1019 ядер   9.73·1019      –      26.6%   Х          –     100%   Х = 3.7·1020 ядер
144 г      –    6·1023 ядер   Х         –    30.88·1020 ядер   Х  =  0,741 г	150 г      –     6·1023 ядер   Х         –     3.7·1020 ядер   Х = 0,092 г

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Результаты работы

В результате проведенного исследования был определен элементный и изотопный состав образца руды из Монголии. На спектре идентифицированы резонансы неодима и самария методом времени пролета. Используя площадь полученных пиков, было получено количество этих редкоземельных элементов в образце. Результаты исследования приведены в таблице.

 

Элемент	Масса элемента в образце, г	Весовая доля элемента в образце, %	Массовая концентрация, (г/кг)
Nd	1.0±0.3	0.002	1.83±0.55
Sm	0.2±0.06	0.00036	0.37±0.11