<<
>>

Энергетические спектральные характеристики нейтронных детекторов и активационных индикаторов

Все существующие нейтронные детекторы можно разделить на несколько групп по форме зависимости их спектральных чувствительностей от энергии нейтронов [43, 44]:

1 - детекторы с линейно падающей зависимостью;

2 - детекторы с постоянной спектральной характеристикой в определенной области энергий;

3 - резонансные детекторы;

4 - пороговые детекторы.

Вероятность взаимодействия нейтрона с атомным ядром характеризуется эф­фективным сечением реакции. Оно обозначается буквой σ и имеет размерность площади.

Единицей сечения ядерных реакций является барн; 1 барн = 1·10-28м2.

К детекторам с линейно-падающей зависимостью от энергии нейтронов, прежде всего, относятся детекторы на основе ядер лёгких элементов с беспорого- вой реакцией с нейтронами: гелия-3, лития-6 и бора-10 (рисунок 1.1):

В результате взаимодействий с нейтронами из ядер этих изотопов вылетают заряженные частицы, которые и производят ионизацию атомов активного вещества детектора (из ядра 3Не вылетает протон, а из ядер 6Li и 10B - альфа-частицы). По­добные реакции идут и на ядрах других лёгких элементов, но лишь для указанных трёх элементов они являются беспороговыми и сопровождаются выделением энер­гии. Для других лёгких элементов эти реакции идут с поглощением энергии и воз­можны лишь при энергиях нейтронов, начиная с энергий от десятков до сотен ки­лоэлектронвольт.

Зависимость сечений этих реакций от энергии нейтронов подчиняются за­кону σ(v) = 1/v = 1/4Ё (где v-скорость нейтронов, связанная с их энергией соотно­шением E = mv2∕2). Примерами реакций 1/v являются реакции 3He(π, p)3H и 10B(h, α)7Li, энергетические зависимости которых представлены на рисунке 1.1. Энерге­тическая зависимость реакции 6Li(π, α), также представленная на рисунке 1.1, более сложна. Её можно разделить на три области. Низкоэнергетическая область также подчиняется закону 1 /v. За этой областью следует резонансная область, характери­зуемая наличием резонансных пиков: для определенных значений энергии нейтро­нов эффективное сечение реакции резко возрастает, а затем вновь падает. В данном случае имеют место два резонансных пика. Некоторые изотопы с подобной харак­

теристикой имеют только один резонансный пик, некоторые - несколько. В резо­нансной области сечения взаимодействия возрастают очень резко, иногда в сотни и тысячи раз. За резонансной областью сечение поглощения продолжает умень­шаться с увеличением энергии, но линейный закон может нарушаться.

Рисунок 1.1 -Зависимость сечений реакций, индуцированных нейтронами, с вылетом заряженных частиц от их энергии [16]

Продуктами реакций (1.3) в первых двух случаях являются ядра трития (сверхтяжёлого водорода), который хоть и является радиоактивным, но имеет боль­шой период полураспада (примерно 12 лет) и является чистым бета-излучателем, а в третьем случае - устойчивый изотоп 7Li. Поэтому они не могут использоваться в качестве индикаторов в активационном анализе.

Однако среди индикаторов есть весьма обширная группа с резонансными ха­рактеристиками.

Если же рассматривать реакции веществ с нейтронами более ши­роко, то подавляющее большинство веществ в диапазоне энергий нейтронов от еди­ниц электрон-вольт до 0,1 МэВ характеризуются именно резонансными спектраль­ными характеристиками, причём многие из них обладают множеством резонансов.

В активационном анализе используются лишь те из них, продуктами которых яв­ляются радиоактивные изотопы. Следует заметить, что резонансные пики сечений реакций резонансного захвата наблюдаются на фоне монотонного снижения этих сечений при росте энергии нейтронов (от теплового уровня до десятков кэВ). При дальнейшем росте энергий нейтронов (свыше 100 кэВ) реакции резонансного за­хвата полностью прекращаются.

В области тепловых энергий резонансными характеристиками зависимости сечения от энергии нейтронов обладают лютеций-176 (176Lu), европий-151 (151Eu) и плутоний-239 (239Pu). В надтепловой области энергий резонансными свойствами обладает индий-115, золото-197, серебро-107, родий-103, вольфрам-186, марганец- 55 и другие. Одним из наиболее эффективных резонансных индикаторов является индий-115. Доля активности, обусловленная его основным резонансом при энергии 1,46 эВ, достигает 96 %, т. е. энергетическая селективность этого индикатора очень высока. Большое сечение резонансного захвата (свыше 26000 барн) и удобный пе­риод полураспада (54,12 мин) обусловили его широкое использование в активаци­онных методах спектральных измерений нейтронных потоков при малых значе­ниях их плотностей. Почти такой же резонансной эффективностью как индий - 95 % обладает золото-197 (основной резонанс соответствует энергии 4,9 эВ, что близко к основному резонансу урана-238). Это определяет широкое использование золота для измерений нейтронных потоков в ядерных реакторах.

Примером резонансной характеристики с несколькими резонансными пи­ками может служить характеристика спектральной чувствительности тория-232, показанная на рисунке 1.2. Здесь на фоне постоянной составляющей порядка 10 барн выделяется несколько достаточно острых резонансных пиков, достигаю­щих величины нескольких сотен барн.

Характеристики наиболее широко применяемых резонансных индикаторов приведены в таблице 1.1.

Рисунок 1.2 - Зависимость полного сечения реакции (n,232Th) от энергии нейтронов

Таблица 1.1 - Основные характеристики резонансных индикаторов

Изотоп Содержание в природной среде, % Продукт (п, γ)- реакции Период полу­распада Энергии основных резонансных уров­ней, эВ
Лютеций-176 (176Lu) 2,6 177Lu 6,8 суток 0,142
Плутоний-239 (239Pu) - (п, f) - 0,296
Европий-151 (151Eu) 47,77 152Eu 9,2 часа 0,321

0,461

Лантан-139 (139La) 99,9 140La 40 часов 0,752

73,5

Родий-103 (103Rh) 100 104Rh 4,4 мин. 1,257
Индий-115 (115In) 95,77 116In 54,12 мин. 1,456

3,86

Золото-197 (197Au) 100 198Au 2,695 суток 4,906
Серебро-109 (109Ag) 48,65 110Ag 253 суток 5,19

30,4

40,1

Уран-238 (238U) 99,3 239U →

239Np

23,5 мин. →

2,3 сут.

6,67
Молибден-98 (98Mo) 23,75 99Mo 67 часов 12,0

429

Марганец-55 (55Mn) 100 56Mn 2,58 часа 337
Натрий-23 (23Na) 100 24Na 15 часов 2900
Фтор-19 (19F) 100 20f 11,56 c 15300

27300

Хлор-37 (37Cl) 24,6 38Cl 37 мин. 27000

47000

Резонансный захват нейтронов полностью прекращается при их энергиях свыше 50-100 кэВ.

Поэтому для спектрального анализа быстрых нейтронов исполь­зуются пороговые индикаторы, приведенные в таблице 2.2. Сводная диаграмма спектральных характеристик некоторых из них представлена на рисунке 1.3. Среди них большой интерес представляют пороговые ядерные реакции с выделением про­тонов и альфа-частиц, а также реакций неупругого рассеяния, поскольку они могут использоваться в качестве детекторов быстрых нейтронов в виде радиаторов обыч­ных детекторов заряженных частиц в режиме реального времени. Дело в том, что в отличие от резонансных индикаторов, пороговые индикаторы не требуют длитель­ной активации и могут без всяких ограничений использоваться в режиме реального времени.

Рисунок 1.3 - Зависимости сечений реакций индикаторов от энергии нейтронов [26]

Из неё видно, что самым низким порогом, лежащим в области тепловых энер­гий, обладает нептуний-237. Правда абсолютные значения сечения его реакции с нейтронами тепловых и промежуточных нейтронов невысоки - сотые доли барн,

причём в этой области характеристика имеет несколько резких резонансных пиков. Но, начиная примерно с 0,5 МэВ, сечение возрастает до единиц барн, и характери­стика становится более гладкой. Области же быстрых нейтронов соответствуют по­роговые характеристики урана-238 (пороговая энергия ~ 1 МэВ), тория-232 (поро­говая энергия ~ 1,3 МэВ) и висмута-209 (с пороговой энергией 13 МэВ). Эти веще­ства, а также уран-235, с кадмиевым покрытием и покрытием из бора были исполь­зованы для создания ПДСН - пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов, ис­пользующего активационный метод анализа. Из рисунка 1.3 видно, индикаторы, изготовленные из урана-235, покрытого слоем кадмия, поглощающим все тепловые нейтроны и слоем бора-10, поглощающего все нейтроны до энергии в 1,1 эВ обла­дают типичными пороговыми характеристиками с сечением в единицы и десятки барн.

В области быстрых нейтронов используются пороговые индикаторы, пред­ставленные в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Пороговые индикаторы для быстрых нейтронов [13]

Изотоп Тип ядерной реакции Пороговая энергия, МэВ
Уран-234 (234U) Деления 0,3
Нептуний-237 (237Np) Деления 0,4
Уран-236 (236U) Деления 0,7
Родий-103 (103Rh) (n, n') 0,9
Торий-23 2 (232Th) Деления 1,3
Уран-238 (238U) Деления 1,3
Индий-115 (115In) (n, n') 1,65
Фосфор-31 (31P) (П, р) 3,0
Сера-32 (32S) (П Р) 3,2
Железо-56 (56Fe) (П Р) 7,7
Алюминий-27 (27Al) (n, α) 8,15
Медь-65 (65Cu) (n, 2n) 11,7
Углерод-12 (12С) (П Р) 20

Если спектр измеряемого потока нейтронов перекрывает все указанные диа­пазоны, то, очевидно, в набор индикаторов должны входить представители всех трёх указанных групп. В настоящее время освоен выпуск стандартных наборов ин­дикаторов: АКН, АКН-Т и ДКН [30]. АКН (активационный комплект индикаторов

35 нейтронов) представлял собой набор из шести типов пороговых индикаторов с по­роговыми энергиями 0,55; 0,7; 1,2; 1,4; 1,5 и 2,5 МэВ. Он предназначался для ис­следования радиационной устойчивости РЭА в полях быстрых нейтронов.

И в заключение следует более детально рассмотреть детекторы, основанные на упругом рассеянии нейтронов в водородсодержащем веществе. Детекторы, ис­пользующие протоны отдачи, имеют примерно постоянное сечение реакции с нейтронами в области энергий от тепловой до примерно 100 кэВ, после чего харак­теристика начинает плавно падать. Типичный вид такой характеристики представ­лен на рисунке 1.1 (реакция Н(п,п)И1). В качестве таких детекторов могут исполь­зоваться газонаполненные детекторы (водородные и метановые ионизационные ка­меры и пропорциональные счётчики) и твердотельные сцинтилляционные детек­торы на основе органических кристаллов, а также прозрачных для видимого света пластмасс (плексиглас и полистирол). Однако постоянство сечения этой реакции отнюдь не определяет постоянство чувствительности детекторов на протонах от­дачи в этой энергетической области. Дело в том, что энергия протонов отдачи не может быть выше энергии породивших их нейтронов, а протоны малых энергий порождают столь малые по амплитуде импульсы на выходе детектора, что их не­возможно выделить на фоне шумовых импульсов, порождаемых тепловыми дви­жениями молекул активного вещества детекторов. Для газонаполненных детекто­ров на протонах отдачи (водородных ионизационных камер и водородных и мета­новых пропорциональных счётчиков) уровень шумов составляет 10-20 кэВ, а для твердотельных сцинтилляционных детекторов на протонах отдачи достигает 50 кэВ (к шумам сцинтиллятора добавляются ещё и шумы ФЭУ). Поскольку от шумо­вых импульсов необходимо отстраиваться путём амплитудной дискриминации вы­ходных импульсов детектора, то реальная нижняя граница энергий регистрируе­мых нейтронов составляет для газонаполненных детекторов 30-50 кэВ, а для твер­дотельных сцинтилляционных 100-150 кэВ.

1.5

<< | >>
Источник: ЛОГВИНОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДЕТЕКТОРНОГО НЕЙТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА-ДОЗИМЕТРА. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Курск, 2019. 2019

Еще по теме Энергетические спектральные характеристики нейтронных детекторов и активационных индикаторов:

  1. Способы получения сцинтилляционных нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками
  2. Методы расчёта спектральных характеристик нейтронных детекторов
  3. ГЛАВЕ 4 ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНЫХ НЕЙТРОННЫХ ПОЛЕЙ С РАЗНООБРАЗНОЙ ФОРМОЙ СПЕКТРОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
  4. ГЛАВА 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ С РАЗНООБРАЗНЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
  5. Предлагаемый метод экспериментального измерения спектральных характеристик нейтронных детекторов
  6. ЛОГВИНОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДЕТЕКТОРНОГО НЕЙТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА-ДОЗИМЕТРА. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Курск, 2019, 2019
  7. Выбор энергетических интервалов, для которых определяются усреднённые значения спектральной плотности нейтронного излучения
  8. 4.3.3 Определение спектральной чувствительности нейтронных детекторов с низкой чувствительностью к тепловым нейтронам
  9. Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него бора-10
  10. 2.3.2 Расчёт и исследование спектральных характеристик полистирольных детекторов без добавления в них бора-10
  11. 2.3.4 Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него 10B с фильтрующими покрытиями
  12. Исследования спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с помощью моделирования методом Монте-Карло
  13. Исследование способов создания опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров