Способ определения сечений нейтроннейтронного взаимодействия

 

па,в„

ОП И

Союз Советскик

Социалистическид

Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 0909,75 (21) 2169966/25 (51)м. Кл.з с присоединением заявки М—

G 01 T 1/34

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) ПриоритетОпубликовано 301280. Бюллетень йо 48 (53) УДК 539..1 ° 074 (088.8) Дата опубликования описания 303.280 (72) Автор изобретения

Ю.В.Григорьев (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЧЕНИЙ НЕЙТРОНHEATP0HHOI О ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к области нейтронной физики, к разделу определения нейтронных сечений и продуктов взаимодействия нейтронов с веществом, K настоящему времени имеется целый. 5 ряд экспериментальных и расчетных работ по изучению взаимодействия нейтрона с нейтроном . Большинство работ посвящено непрямым исследованиям нейтрон-нейтронного взаимодействия, 10 т.е. экспериментам с заряженными частицами, либо теоретическим исследованиям (11 .

Известны прямые эксперименты по 15 определению сечений нейтрон-нейтронного (11-ll) взаимодействия $2j . Ha реакторе мощностью в 7 МВт сделана полость, в которой сталкиваются . летящие преимущественно .друг к другу 20 навстречу нейтроны. Рассеянные в полости нейтроны по узкому коллиматору попадают в детектор, этим же детектором регистрируются и фоновые нейтроны, рассеянные на молекулах 25 остаточного газа в полости и на материале коллиматора; Этот эксперимент позволяет определить сечение рассеяния нейтронов на нейтроне для широкого энергетического спектра с пло- gp хой точностью из-за высокого фона и малой статистики событий.

K прямому эксперименту поП вЂ” и взаимодействию относится также проект 31, идея которого заключается в том, что в космос выводится импульсный реактор, который генерирует вспышку нейтронов длительностью b+ =1-10 мс с общим количеством нейтронов 6

101 н/всп. Таким образом с помощью источника нейтронов создаются свободные HeATpDHbI на которых рассеиваются другие нейтроны и затем регистрируются детектором.

Основными недостатками описанных выше способов изучения и — n взаимодействия являются: сложность и высокая стоимость экспериментов, возможность изучения только процесса рассеяния нейтрона на нейтроне, и, причем, только на широком спектре нейтронов, низкая точность результатов экспериментов из-за высокого фона.

Пелью изобретения является определение энергетической зависимости полых и парциальных сечений нейтроннейтронного взаимодействия и упрощение процесса измерений, Это достигается тем, что вначале .регистрируют энергетические спектры

549023

=(O,>ra 0 Е.-ty y (2>

50 нейтронов или продуктов нейтроннейтронного взаимодействия, получаемых в результате пропускания по зеркальному вакуумному нейтроноводу быстрых нейтронов от источника через поле медленных нейтронов, представляющих собой низкоэнергетическую часть спектра нейтронов того же источника и движущихся в том же направлении, что и быстрые нейтроны, затем

)выводят поле медленных нейтронов из пучка, например, путем помещення на 1©

его пути эффективного поглотителя медленных нейтронов, снова регистрируют аналогичные спектры и по из вестным соотношениям определя)от сооТветствующие сечения нейтрон-нейтрон- 1% ного взаимодействия.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

В немоноэнергетическом источнике .нейтронов образуются в любой момент 20 времени нейтроны разных энергий.

Более быстрые нейтроны, движущиеся в том же направлении, что и медленные будут их обгонять или взаимодействовать с ними.

Убирая из нейтронного пучка погло-. тителем медленные или быстрые нейт- роны или изменяя длину пути их совместного пролета, можно получить функцию пропускания соответствующих нейтронов или зарегистрировать побочные продукты взаимодействия нейтрона с нейтроном детекторами, установленными на нейтронном пучке или вдоль пути пролета нейтронов. 35

Очевидно для импульсных нейтронных источников такими медленными нейтронными мишенями являются рециклические нейтроны, т.е. нейтроны от предыдущих вспышек, которые проходят расстояние 40 от источника за время t большее периода следования нейтронных вспышек. t7/jf(rZe g — частота появления вспышек). В любой момент времени Q(t<

g,g/f почле нейтронной вспышки в конце пролетной базы, длиной ), коли-. чество рециклических нейтронов будет представлять сумму нейтронов с энергиями где = 1,2 3 ..., иПоследний член П получается из справедливого предположения, что нейтронов с энергией Е = 0,000523 эВ в спектре нет:

Для импульсного источника при среднем потоке нейтронов 4 "-р-Ч в момент вспышки поток равен: где ф)»»») - натан неетраное, Г H

)- частота вспышек, ) ген

ЕС (СВ ) — длительность вспышки на полувысоте, Г )

Я ) сМ ) — плотность нейтронов, а. Гс м 1 1) „) скорость нейтронов»

Черта означает . усреднение по всему спектру нейтронов. Очевидно, через поверхность источника нейтронов площадью Ь за одцу секунду пройдет

1ч= Л/Б, а за одну вспышкуд Р,нейтХ ронов /. всп. Значение И является средней мощностью источника нейтронов, импульсная мощность равна: д)оп. Р Г 1 ЬСП. qt - дС g

Поток нейтронов на некотором расстоянии L от источника для стационарного случая равен: фн,}- -) РB)v.Ä) (5)

На основе формулы .(5) и известного спектра нейтронов источника можно определить нейтронную плотность мишенных нейтронов.-. B случае импульсного источника поток и плотность нейтронов будут зависеть также.от времени между вспышками и частоты вспышек У . Учитывая, что тепловые нейтроны подчиняются распределению

Максвелла-Больцмана, а надтепловые распределению Ферми,.поток и плотность для рециклических нейтронов с энергией E„ L от импульсного источника запишется в следующем виде: .=Р Ж.) .) Р.Ж, = -,„- — (6

)1

Поток тепловых нейтронов с энергией Ер вычисляется по формуле: фт 2 6

„4l„i » .е рн з а Й„ ьЕ а поток надтепловых нейтронов с энергией Е)) вычисляется по формуле:

T е,. е —,—,е,„

Е,„ где ФГ - средний поток тепловых нейтронов;

hQ- ширина вспышки тепловых нейч ронов, постоянная Больцмана; абсолютная температура, средний поток надтепловых ,нейтронов, ) )), - ширина вспышки надтепловых нейтронов,, ,„;„,Е „- максимальная и минимальная энергия нейтронов в Фермиевс ком спектре.

549023

Функция разрешения рециклических Суммарная плотность рециклических нейтронов ВE„ связана с временным нейтронов на некотором расстоянии разрешением соотношением в момент времени между вспышка ми получается из выражений (6);(7)

И (ИЯ С) (9) и (8} .в следующем виде: !

Р )

РЕП%. I 4 1Ч ll

I!IIII, I1fLI tLÑÂÐ МКт) 7 1,1Ц. О gt f. „ I 1Ь . о,ghIg), (10) где и ;„получается из выражения (1) в результате подстановки значения

E = Е,„;„. При Е„„;„= 0,1 эВ получаетСя следующее выражение: ,„= {2,98. о -L-ъ)Х

Если уравнение (10) подставить выра жение (1) и (9), то получится суммарная плотность рециклических нейтронов в зависимости от L,, Ь и 1 (12)

Еты

ЗО причем O(4<1ф

Использование импульсного нейтронного источника позволяет по,предложенному способу изучать и — И взаимодействия в зависимости от энергии 35 нейтронов — мишеней и быстрых нейтронов для широкого спектра. .Исследование полного нейтрон-нейтронного сечения можно делать следующим образом.

Пластинкой кадмия, индия или бора 4О надо попеременно перегораживать сколлимированный нейтронный пучок вблизи источника, где нет рециклических нейтронов, и на некотором расстоянии, где кончается зеркальный нейт- 4$ роновод. При этом нейтронный детектор, находящийся в конце пролетной базы, будет регистрировать в первом случае спектр быстрых нейтронов открытого пучка (тепловые нейтроны будут вывбдиться из пучка поглотителем), а во втором случае спектр быстрых нейтронов, проходящих через нейтронное облако, образованное рециклическими нейтронами между источником и поглотителем.

Су ь способа пояснена на фиг.1, где 1 — активная зона ИБР-30; 2 биологическая защита, 3 — первый коллиматор, 4 — фильтр марганца, 5 кадмиевый фильтр 6 — индиевый фильтр,60

7 — нейтроновод, 8 — второй коллиматор, 9 - кадмиевый фильтр ; 10 — третий коллиматор, 11 — первый детектор

12 — четвертый коллиматор, 13 — второй детектор. 65

Коллимация нейтронного пучка достигалась с помощью двух коллимато- ров в виде дисков из карбида бора в парафине. Один коллиматор с отверстием диаметра 90 мм был установлен на расстоянии 10 м от активной зоны

1, а второй аналогичный коллиматор

8 устанавливался на расстоянии 242 м, За первым коллиматором 3 на расстоя" нии 10 м постоянно находился марганцевый фильтр 4 толщиной 0,05 я/барн, который под резонансами в области энергии 2,4 кэВ и 0,337 кэВ полностью выводил быстрые нейтроны из временного спектра на пролетной базе 1000 м, Нейтронный образец на пути быстрых нейтронов создавался за счет перестановки одного и того же листа кадмия толщиной 0,5 мм и листа индия толщиной 2 мм. Этот поглощающий рециклические нейтроны кадмиевый фильтр 5 и индиевый фильтр 6 в один цикл измерений перекрывал нейтронный пучок на расстоянии 10 м пролетной базы за коллиматором 3, а в другой цикл на расстоянии 242 м, т.е ° в первый цикл измерялся как бы спектр открытого пучка, а во второй — с образцом рециклических нейтронов в ди.апазоне энергии Е = 0,000523-2 эВ, Для поглощения замедлившихся нейтронов на участке пролетной базы 242 м за вторым коллиматором 8 постоянно стоял лист кадмия — фильтр 9 толщиной 2 мм.

На расстоянии 250 м от активной зоны 1 в нейтронном пучке находился детектор 11 в виде батареи из 10 штук

Не пропорциональных счетчиков типа

CHN-50, который позволял определить долю собственного фона детектора, фона от рассеянных в помещении и запаздывающих нейтронов, так как рециклических нейтронов на этой пролетной базе в низкоэнергетической час ги спектра нет. Второй детектор нейтI ронов 13 в виде батареи из 91 Не пропорционального счетчика типа

СНМ-50 находился на расстоянии 1000 м от активной зоны реактора. Этот детектор 13 регистрировал от каждой . вспышки быстрые нейтроны в диапазоне энергий E = 53 — 10 ° 10 зВ, а такжв рециклические нейтроны от пяти предЫдущих вспьааек в области энергии

= 2 - 53 эВ. Импупьсы от обоих детек549023 торов регистрировались в двух независимых анализаторах типа AH-4096.

Временные спектры, полученные от детектора на пролетной базе 1000 м за 10 ч измерительного времени, изображены на фиг.2.

Как видно из фиг.2, импульсов от рециклических нейтронов примерно столько же, сколько от быстрых нейт.— ронов в области энергий марганцевых резонансов. Ширина временного канала

Г = 2 м с. Если принять долю импульсов от рассеянных в помещении и запаздывающих нейтронов такой же, как в спектре нейтронов на пролетной базе

250 м, а именно 0,08, и вычесть такую же фоновую долю из спектров на 1000 м, 15 то можно считать, что участки спектров под марганцевыми резонансами характеризуют уровень мощности реактора, нестабильность аппаратуры и изменения плотности воздуха в разрывах нейт-щ роновода и в самом нейтроноводе 7. В действительности доля фона для детектора 13 на расстоянии 1000 м значительно меньше 0,08, кроме того, более важна доля собственного фона детектора 13, т ° е. от шумов электроники и космических лучей, Собственный фон от детектора 13 из 91 счетчика на базе 1000 м составлял 0,2 имп/с или 1% от счета под марганцевым резонансом с энергией Е = 0,337 кэВ. 30

Таким образом, отношение участков спеКтров под марганцевыми резонаторами представляет мониторный поправочный коэффициент, который в таком виде должен завышать функцию пропускания быстрых нейтронов через рециклические нейтроны, поскольку здесь пренебрегают взаимодействием рециклических нейтронов друг с другом.

Функция пропускания вычисляется gQ по обычной формуле:

-Ь" х м у -ц @

„ Фа4 "м (13 )

o/и ори

Из формулы (13) нетрудно определить 5 полное сечение и — h взаимодействия:

50 полное сечение n— - н взаим действия," толщина нейтронного образца; мониторный коэффициент; счет в канале анализатора при наличии нейтронного образца и без него фоновый счет в канале анализатора при наличии нейтронного образца и без него. где qP с

4юн 4ки

ы а,нрав, Формула изобретения

Способ определения сечений нейтроннейтронного взаимодействия, заключающийся в том, что с помощью источника нейтронов создаются свободные нейтроны, на которых рассеиваются другие нейтроны и затем регистрируются детектором, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью определения энергетической зависимости полных и парциальных сечений нейтрон-нейтронного взаимодействия и упрощения процесса измерений, вначале регистрируют энергетические спектры нейтронов или продуктав нейтрон-нейтронного взаимодействия, получаемых в результате пропускания по зеркальному вакуумному нейтроноводу быстрых нейтронов от источника через поле медленных нейтронов, представляющих собой низкоэнергетическую часть спектра нейтронов того же источника и движущихся в том же направлении, что и быстрые нейтроны, затем выводят поле медленных нейтронов из пучка, например, путем помещения на его пути эффективного поглотитЕля медленных нейтронов, снова регистрируют аналогичные спектры и по известным соотношениям определяют соответствующие сечения нейтрон-нейтронного взаимодействия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Абрамов A.È. Основы экспериментальных методов ядерной физики, М., Атомиздат, 1970, с. 25.

2. "Nuclear lustruments Methods.", ч, 118, 9 1 1974.

3. Бондаренко И.И., Ковалев В:П. и Золотухин В.Г. Ядерная физика, т.2, вып. 5, 1965, с. 839 (прототип) 549023

1Z 1,7

/Уп ХУД

1200 гао

400

1600 f 7)iV 1800 500 2й70

//омр нонапа

700 800

Рие. Я

Заказ 9265/75 Тираж 649 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иообретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Балашов

Редактор Л. Письман Техред М,Кузьма . Корректор С. Шекмар