Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экспериментальная техника 9
Введение 9
1.1. Экспериментальная установка ПАРУС для исследования резонансной структуры и допплер-эффекта в нейтронных сечениях и отношениях сечений 11
1.1.1. Нейтроноводы и коллимационная система 12
1.1.2. Образцы, манипуляторы образцов, устройства для нагревания и охлаждения образцов 14
1.1.3. Мониторы, детекторы нейтронов и гамма-лучей 19
1.1.4. Измерительный модуль 22
1.2. Экспериментальная установка РОМАШКА для измерения спектров кратности гамма-лучей, резонансных параметров нейтронных сечений и отношений сечений 23
1.3. Установка для исследования энергетических спектров гамма-квантов при радиационном захвате нейтронов и делении ядер 25
1.3.1. Детекторная система 26
1.3.2. Система накопления информации : 27
1.3.3. Программное обеспечение 29
1.4. Быстродействующие ионизационные камеры деления со слоями U и ^Ти 30
1.4.1. Камера деления со слоями 233U 30
1.4.2. Камера деления со слоями Ри 32
1.5. УстановкаТЭКС для исследования полного сечения и сечения рассеяния 34
1.6. Установка на основе механического прерывателя нейтронов для монохроматизации нейтронов и укорочения нейтронной вспышки ИБР 36
ГЛАВА 2. Исследование резонансных характеристик нейтронных сечений изотопов Hf, Sm, Sn, In 40
Введение 40
2.1. Методика исследования резонансных параметров 41
2.2. Резонансные параметры изотопов Hf. 43
2.3. Резонансные параметры изотопов Sm 46
2.4. Резонансные параметры изотопов Sn 58
2.5. Исследование резонансных параметров изотопов 1л по методу множественности гамма-лучей 63
2.6. Определение спинов изотопов In по методу заселенности низколежащих уровней.68
ГЛАВА 3. Нейтронные сечения и их интегральные характеристики Nb, Mo, W, Pb, 232Th,U8U 72
3.1. Экспериментально-расчетная методика исследования резонансной структуры полных и парциальных сечений 72
3.2. Функции пропусканий, полные и парциальные сечения и их факторы резонансной блокировки, резонансные параметры для 93Nb 73
3.3. Функции пропусканий, полные и парциальные сечения и их факторы резонансной блокировки для Мо 86
3.4. Измерение полных пропусканий, функций самоиндикации в рассеянии и получение из них полных сечений, факторов блокировки, резонансных параметров для W 91
3.5. Функции пропусканий и полные сечения для РЬ 97
3.6. Измерение полных пропусканий и функций самоиндикации, определение нейтронных сечений, факторов резонансной блокировки и допплер-эффекта в них для Th...99
3.7. Измерения полных пропусканий, функций самоиндикаций, допплер-эффекта в них, и определение средних резонансных параметров, нейтронных сечений и факторов резонансной блокировки для 23i!U 108
3.8. Корреляционные эффекты в нейтронных сечениях ^"U и 2 Ри 118
ГЛАВА 4. Исследование резонансной структуры нейтронных сечений и величины альфа для Vu 120
Введение 120
4.1. Методика измерения спектров кратности излучений и величены альфа для *" U...120
4.2. Методика измерения резонансной блокировки и допплер-эффекта в величине альфа 23JU 128
4.3. Методика измерения величины альфа для и в области энергий тепловых нейтронов 1 мэВ-2эВ 135
4.4. Методика исследования резонансной структуры и допплер-эффекта нейтронных сечений н5и в области энергий 2.15 эВ-200 кэВ...139
4.5. Измерение спектров кратности излучений и величены альфа для И9Ри 146
4.6. Исследование эффекта резонансной блокировки и допплер-эффекта в величине альфа 156
4.7. Исследование резонансной структуры и допплер-эффекта нейтронных сечений 239Ри в области энергий 2.15 эВ - 200 кэВ 161
ГЛАВА 5. Методики иследования взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями 169
Введение 169
5.1. Гравитационный монохроматор нейтронов 170
5.2. Характеристики гравитационного спектрометра нейтронов 171
5.3. Измерение ускорения силы тяжести свободно падающих нейтронов 177
5.4. О возможности измерения электрического заряда нейтрона 183
5.5. Нейтронный монохроматор на основе эффекта силы Кориолиса 187
ГЛАВА 6. Методика иследование (п-п)- взаимодействия 190
Введение 190
6.1. Исследование нейтрон-нейтронного взаимодействия с помощью метода догоняющих нейтронов 191
6.2. Механика упругого нейтрон-нейтронного рассеяния в методе догоняющих нейтронов 195
6.3. Расчетные и экспериментальные характеристики нейтрон-нейтронного взаимодействия, полученные по методу догоняющих нейтронов 200
Заключение 214
Список использованной литературы 218
- Образцы, манипуляторы образцов, устройства для нагревания и охлаждения образцов
- Исследование резонансных параметров изотопов 1л по методу множественности гамма-лучей
- Функции пропусканий, полные и парциальные сечения и их факторы резонансной блокировки для Мо
- Методика измерения величины альфа для и в области энергий тепловых нейтронов 1 мэВ-2эВ
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Развитие различных направлений науки и техники, связанных с использованием радиоактивных излучений, предопределило широкий фронт исследований по изучению как самих излучений, так и характеристик взаимодействия излучений с различными материалами. В процессе этих исследований и практического применения радиоактивных излучений получен громадный объем информации, выработаны требования к точности различных ядерно-физических характеристик на основе потребностей для теории и практики. Особенно высоки требования к точности ядерно-физических констант, которые используются при расчете ядерных энергетических установок, утилизации отходов атомно-энергетического производства и защиты от радиоактивных излучений. Это важно, поскольку связано со значительными материальными затратами, загрязнением окружающей среды, ядерной безопасностью. В частности, нейтронные сечения топливных и сырьевых материалов должны быть известны в некоторых энергетических диапазонах при уровне погрешностей не более долей процента [1,2,3], а для конструкционных материалов на уровне нескольких процентов. Пока требуемые точности остаются еще недостижимыми для большинства реакторных материалов, а для некоторых изотопов экспериментальные данные вообще отсутствуют. До сих пор недостаточно экспериментальной информации по резонансным параметрам ( радиационным и делительным ширинам, спинам возбужденных уровней, силовым функциям) для всех изотопов. До наших измерений фактически отсутствовали экспериментальные данные по факторам резонансной блокировки и допплер-эффекту в сечениях деления, радиационного захвата, рассеяния даже для основных реакторных материалов - изотопов урана, тория, плутония. Эти ядерно-физические константы необходимы для уточнения теоретических моделей ядра и требуются при расчете основных характеристик атомных реакторов (критмассы, температурных коэффициентов реактивности, коэффициентов воспроизводства ядерного топлива и др). Следует отметить, что на важность учета эффектов резонансной блокировки в нейтронных сечений при расчете ядерных энергетических установок впервые обратил внимание И.И.Бондаренко, автор идеи и один из создателей многогрупповой системы констант БНАБ. Первые эксперименты по изучению эффектов резонансной блокировки в полных сечениях были начаты под руководством М.Н.Николаева в ФЭИ и ОИЯИ в конце 50-х годов. Затем с 1965г при участии автора диссертации стали проводиться более широкие исследования эффектов резонансной блокировки и допплер-эффекта в полных и парциальных нейтронных сечениях на импульсном быстром реакторе ИБР-30 ЛНФ [4, 5, 6] в рамках совместной работы сотрудников ФЭИ, ОИЯИ, специалистов из Германии, Болгарии, Польши и др. стран. Что касается измерения нейтронных сечений и резонансных параметров, то основная часть информации по этим величинам была получена в 50-е - 70-е годы 20-го столетия на импульсных источниках нейтронов типа ORELA, GELINA с высоким разрешением At/1 0.04 нс/м в широком диапазоне энергий от 1 эВ до нескольких МэВ, на спектрометрах типа ИБР-30 с невысоким разрешением At/1 4 нс/м в области энергий 1 эВ - 200 кэВ [7-22] и на других источниках нейтронов. Несмотря на имеющийся большой объем информации по нейтронным константам, получение новых данных остается актуальной задачей, требуются более точные нейтронные сечения и другие величины для расчета перспективных атомных реакторов.
Изучение отмеченных выше констант взаимодействия нейтронов с ядрами различных материалов предполагает также уточнение наших знаний о свойствах нейтрона.
Так, для подтверждения гипотезы зарядовой независимости ядерных сил, совершенствования теории гравитации, для обнаружения возможного электрического заряда нейтрона необходимо использовать прямые методы измерения количественных характеристик (п-п)-взаимодействия, взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями. Работы по этому направлению актуальны, поскольку имеются значительные расхождения в отмеченных величинах, измеренных непрямыми методами.
Целью настоящей диссертации является: разработка и внедрение новых методик измерения ядерно-физических констант; создание новой более совершенной экспериментальной техники, в том числе, надежных спектрометров нейтронов и у-лучей для исследования слабо изученных резонансных параметров изотопов Hf, Sm, Sn, In и др, для изучения эффектов резонансной блокировки и допплер-эффекта в полных и парциальных нейтронных сечениях Nb, Mo, W, Pb, 2j2Th, 23S\J, 235\J, 239Pu; измерение и анализ новых групповых нейтронных сечений и их интегральных характеристик для конструкционных и топливно-сырьевых реакторных материалов в области энергий тепловых и резонансных нейтронов; разработка прямых методов исследования количественных характеристик (п-п)-взаимодействия, взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями, измерение сечения упругого (п-п)-рассеяния, ускорения силы тяжести свободно падающих нейтронов и верхнего предела электрического заряда нейтрона.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что созданная экспериментальная техника, приборы, разработанные методики и полученные на их основе экспериментальные данные по резонансным параметрам, полным и парциальным нейтронным сечениям, величине альфа, факторам резонансной блокировки и допплер-эффекту в них для основных реакторных материалов позволяют уточнить и дополнить оцененные нейтронные константы в справочной литературе и в имеющихся библиотеках. Эти константы имеют важное значение для решении проблемы ядерной безопасности, трансмутации отходов атомной промышленности, при создании перспективных энергетических ядерных и термоядерных установок, для уточнения теоретических положений ядерной и реакторной физики.
Научная новизна исследований и методических разработок диссертации состоит в том, что они впервые в мире были реализованы для большинства обсуждаемых тем. Впервые были созданы уникальные быстродействующие ионизационные камеры деления с большим содержанием делящегося вещества; устройства для охлаждения, нагревания и перемещения массивных образцов-фильтров, которые не искажают своими конструкционными элементами спектр нейтронного пучка. Впервые измерены эффекты резонансной блокировки в полных сечениях 238U, 235U, 239Ри и в парциальных сечениях рассеяния, радиационного захвата и деления для Nb, Mo, W, 232Th, 238U, 235U, 239Pu, получен большой объем новой информации по нейтронным групповым сечениям, факторам резонансной блокировки и их температурной зависимости, величине альфа в энергетических группах и в большом количестве разрешенных резонансов. Впервые разработана и использована методика исследования допплер-эффекта и эффекта резонансной блокировки в полных пропусканиях и величине альфа для 232Th, 23SU, 235U, 239Pu. Впервые определены резонансные параметры для 386 разрешенных резонансов изотопов 176-,77 179Hf, 147,I48,149Sm, 1I7 "9Sn, l,3 U5ln и получены новые средние резонансные параметры для 93Nb, W, 232Th, 238U. Впервые предложены и созданы гравитационные многощелевые монохроматоры для исследования взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями, что позволило измерить ускорение свободного падения нейтрона (980.1±1.1 см/с) с минимальной погрешностью. Впервые предложен и опробован прямой метод догоняющих нейтронов для исследования нейтрон- нейтронного взаимодействия. На защиту диссертации выносится следующие основные положения и результаты.
1. Разработка и создание: оригинальных спектрометрических установок ПАРУС, РОМАШКА, ТЭКС с многосекционными детекторами гамма-лучей и нейтронов; устройств для нагревания и охлаждения массивных образцов-фильтров; быстродействующих ионизационных камер деления с большим содержанием 235U и Ри; перспективной установки на основе механического прерывателя нейтронов для монохроматизации нейтронов и укорочения нейтронной вспышки ИБР-2; оригинальных гравитационных монохроматоров для иследования взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями; прямого метода исследования нейтрон-нейтронного взаимодействия.
2. Методики измерения и обработки полных пропусканий и функций самоиндикаций в сечениях рассеяния, радиационного захвата и деления.
3. Метод измерения спектров кратности совпадений гамма-лучей и методики определения сечений радиационного захвата, деления, величины альфа, коэффициентов резонансной блокировки и допплер-эффекта в них для Nb, Mo, W, 232Th, 238U, 235U и 239Pu.
4. Результаты измерения резонансных параметров (Ео , К , J, Г„ , Гг, S0 ) для изотопов 176,177. ,47 I48-,49Sm, ,,7 ,,9Sn, ,13 1I5In в области энергий разрешенных резонансов.
5. Результаты измерения групповых полных пропусканий и функций самоиндикации, средних резонансных параметров, групповых сечений, величины альфа, факторов резонансной блокировки и допплер-эффект в сечениях Nb, Mo, W, Pb, Th, U, U, Pu.
Личный вклад автора. Все методические разработки и экспериментальные исследования проведены в основном по инициативе, под руководством и личном участии автора, который возглавляет научно-исследовательскую группу по нейтронной спектрометрии с 1983г до сих пор. Все результаты, выносимые на защиту , получены либо лично автором, либо при непосредственном участии автора. Анализ всего материала диссертации выполнен автором.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных семинарах, конференциях и опубликованы в виде 56 статей и докладов в реферируемых журналах, в трудах семинаров и конференций. Большая часть полученных данных включена в справочную литературу. Разработанные автором устройства и методики нашли применение в экспериментальной физике.
Образцы, манипуляторы образцов, устройства для нагревания и охлаждения образцов
Коллиматоры представляли дисковые контейнеры с внешним диаметром 90 см, заполненные смесью карбида бора с парафином, либо металлическим свинцом. Кроме этих коллиматоров внутри самих нейтроноводов были расположены еще четыре коллиматора из смеси карбида бора с парафином с коллимирующими отверстиями диаметром 20 см на расстояниях от реактора 10 м, 20 м, 56 м и 113 м. В разрыве нейтроновода на расстоянии 60 м от реактора был установлен сцинтилляционный жидкостный детектор объемом 210 л [14]. Он состоял из 6 секций и имел коллимационное отверстие диаметром 30 см. Для окончательного формирования нейтронного пучка в конце пролетной базы на расстоянии 116 м от реактора был установлен коллиматор в виде куба из смеси карбида бора и парафина (длина ребра 1 м) с коллимирующими вставками. Диаметр коллимационного отверстия в этом коллиматоре определялся диаметром образцов-фильтров, которые устанавливались непосредственно за ним на манипуляторе или в устройствах для нагревания и охлаждения. Чтобы снизить фон рассеянных нейтронов и гамма-лучей в помещении детекторов, сразу за манипулятором и устройствами для нагревания и охлаждения устано вливался транспортабельный легкий нейтроновод длиной 7 м. Этот нейтроновод состоял из двух алюминиевых труб разного диаметра (30 см и 20 см), герметично состыкованных фланцевым соединением. Труба этого нейтроновода длинной 3 м и диаметром 10 см вводилась во внутреннее отверстие жидкостного сцинтилляционного 16-секционного детектора гамма-лучей, что снижало фон в детекторе от нейтронов и гамма-лучей, рассеянных на воздухе. Тонкий образец-радиатор закреплялся в вакуумной трубе по центру сцинтилляционного детектора. Торцевая заглушка этой трубы примыкала непосредственно к нейтронному детектору из трех борных счетчиков в конце пролетной базы. Описанная выше система нейтроноводов и коллиматоров обеспечила оптимальные условия проведения измерений в условиях хорошей геометрии при низком фоне. Это было важно, поскольку на установке ПАРУС измерялись небольшие эффекты резонансной блокировки и допплер-эффект в нейтронных сечениях и величине альфа. Для снижения фона в помещении детектора при некоторых измерениях использовались еще два дополнительных коллиматора со вставками на расстояниях 118 м и 120 м от реактора. Наиболее полную информацию об эффектах резонансной блокировки и допплер-эффекте в нейтронных сечениях можно получить при измерении полных пропусканий и функций самоиндикации в диапозоне значений 0.95 - 0.01 на 5 - 10 толщинах образцов-фильтров из исследуемых материалов. Допплер-эффект в полных пропусканиях уверенно наблюдается при ослаблениях образцами-фильтрами нейтронного потока на 30 % и более процентов, в функциях самоиндикации при.меньших значениях. В связи с этим для проведения таких экспериментов требуются большие наборы достаточно толстых чистых и моноизотопных образцов-фильтров, упакованных в герметичные надежные контейнеры, способные выдерживать низкие и высокие температуры. В данном эксперименте использовались металлические диски изотопов тория, урана и плутония различной толщины с диаметром 48 мм. Образцы тория-232 и урана-235 упакованы в контейнеры из алюминиевой фольги толщиной 0,4 мм. Образцы плутония-239 упакованы в герметичные контейнеры из нержавеющей стали с толщиной стенок 0.3 мм. В таблице 1 приведены толщины образцов-фильтров тория-232, урана-235, 238 и плутония-239, которые использовались в измерениях пропусканий при разных температурах. В качестве образцов-радиаторов в сцинтилляционных детекторах и детекторах для регистрации рассеянных нейтронов или нейтронов деления использовались тонкие металлические пластинки и диски. Образец-радиатор тория-232 состоял из двух одинаковых квадратных металлических пластинок площадью 45x45 мм2 общей толщиной 0.000641 яд/барн. В качестве образцов-радиаторов урана-235 обогащением 90% служили металлические диски диаметром 45 мм и толщиной 0.00124 я/б. Плутониевыми образцами-радиаторами являлись два металлических диска в герметичной упаковке из нержавеющей стали толщиной 60 микрон. Обогащение образцов плутония-239 составляло 99,9%. Диаметр первого образца был равен 40 мм и толщина -0.00089 яд/барн, диаметр второго образца равнялся 80 мм и толщина - 0.00114 яд/барн. Содержание примесей в образцах-фильтрах тория-232 составляло не более 0,55%, урана-235 соответственно - 10% и плутония-239 около - 5%. В таблице 1 приведены толщины образцов в (мм) для изотопов с примесями, а толщины в (яд/барн) для чистых изотопов. При измерении пропусканий на образцах-фильтрах урана-238 использовались металлические диски диаметром 80 мм, 160 мм и 195 мм различной толщины без упаковки. Тонкие дискислужили образцами-радиаторами. Содержание примесей в этих образцах не превышало 0.4%.
Характеристики образцов-фильтров и образцов-радиаторов других изотопов приводятся в других главах при описании условий измерений.
Манипуляторы для перемещения образцов-фильтров удобны при измерении функций пропускания. Они сокращают непроизводительные затраты времени на закрытие и открытие нейтронного пучка, обеспечивают точную установку образцов на пучке. На данной установке использовался гидроманипулятор с двумя штоками, к которым жестко крепились держатели с образцами. Каждый шток с образцом-фильтром весом до 100 кг мог перемещаться за 6 сек на расстояние 20см с помощью гидронасоса. Изменение направления перемещения штоков осуществлялось вентилями-переключателями. На этом манипуляторе можно было закреплять также устройства для нагревания и охлаждения образцов, что позволяло вести измерения спектров при разных температурах образцов-фильтров.
Исследование резонансных параметров изотопов 1л по методу множественности гамма-лучей
Изучение радиационного захвата нейтронов стимулируется потребностями в надежных и точных ядерно-физических данных для реакторостроения, медицины, астрофизики, других направлений практики и науки, а также тем, что теоретическое описание этого процесса пока еще не является достаточно полным. Из всей обширной области энергий, в которой наблюдается радиационный захват, наиболее интересен и доступен диапазон энергий резонансных нейтронов, где можно получать разнообразную информацию об энергетических состояниях составного ядра различными экспериментальными методами в условиях относительно невысокого фона. Для понимания механизма процесса радиационного захвата нейтронов и у-распада возбужденных ядер особенно важно знание характеристик ядерных состояний таких, как спины, нейтронные и радиационные ширины, силовые функции, спектры кратности, энергетические зависимости у-лучей и др. Эти параметры надежно определяются при использовании методов ядерной спектроскопии и спектрометрии множественности излучений в сочетании с методом времени пролета [11, 12, 24].
При радиационном захвате S-нейтронов многими ядрами со спином, отличным от нуля, резонансные уровни составного ядра разделяются по спину на две группы. Так как данных по спинам для большинства резонансов еще мало, то это по-прежнему определяет интерес к таким характеристикам гамма-каскадов, которые проявляют статистическую зависимость от спина резонансных уровней.
В данной главе представлены результаты исследования радиационного захвата нейтронов ядрами среднетяжелых изотопов 176-177-179Щ 147-I48-149Sm, U7-,19Sn, ,Ш151п [27-29, 31,34-37,40,44]. Эти данные получены в области разрешенных резонансов методами спектроскопии и спектрометрии множественности у-лучей. Выбор в качестве объектов исследования настоящих изотопов определялся тем, что 147Sm, 149Sm и Hf имеют спин основного состояния 7/2" и после захвата S-нейтронов в ядрах образуются системы уровней со спинами 3" и 4 . Изотоп 179Hf после захвата нейтронов образует составные ядра со спинами 4+ и 5+ . У этих изотопов наблюдаются корреляции между спином уровня и характеристиками гамма-квантов. Кроме того, значения радиационных ширин, известных для нескольких низкоэнергетических резонансов этих изотопов, имеют значительные флуктуации, что нуждается в подтверждении. У четно-четных изотопов 148SmH 176HfS -резонансы имеют спин 1/2. Изотопы олова-113,115 со спином основного состояния 1/2 при захвате нейтронов имеют S-резонансы со спинами 0+ и 1+ и Р-резонансы - со спинами О , Г, 2 . У этих изотопов индия при радиационном захвате фактически не наблюдается корреляция между спином уровня и множественностью испускаемых гамма-лучей, но в сочетании с другими методами спектрометрия множественности излучений позволяет получить более полную информацию о параметрах резонансов, в том числе: о спинах, нейтронных и радиационных ширинах.
Для исследования радиационного захвата нейтронов ядрами изотопов гафния, самария, олова, индия по методу спектрометрии множественности совпадений гамма-лучей использовался многосекционный сцинтилляционный 4тс-детектор типа РОМАШКА [11], расположенный на 501.9 м пролетной базе импульсного нейтронного бустера ИБР-30 ЛНФ ОИЯИ. Одновремено с измерениями на РОМАШКЕ на этой пролетной базе проводились также измерения полных пропусканий с помощью батареи Не-3 счетчиков и время-амплитудных спектров на HP Ge - детекторе. Эти детекторы располагались соответственно за РОМАШКОЙ на. расстоянии 2м от образца-радиатора и сбоку от него на расстоянии 10 см в специальной нише.
Мониторирование потока нейтронов велось двумя счетчиками типа СНМ-17, которые были расположены вне пучка нейтронов на расстоянии 60 м от источника. Для подавления фоновых составляющих во времяпролетных спектрах от рециклических нейтронов в пучке постоянно находились фильтры из Cd (1 мм) и карбида бора (10 мм).
Для каждого акта захвата нейтрона регистрировались время пролета нейтрона и кратность совпадений гамма-квантов. Акт захвата и его параметры фиксировались в памяти измерительного модуля, если суммарная энергия зарегистрированных гамма-квантов находилась в пределах от 2 МэВ до 8 МэВ. Это окно дискриминации фактически исключало регистрацию фоновых гамма-квантов космического происхождения и испускаемых бором и водородом при поглощении фоновых нейтронов в сцинтилляторе и защите детектора. Порог регистрации импульсов каждой секции составлял 0,1 МэВ. Такая схема регистрации импульсов, использующая сочетание метода времени пролета и спектрометрии множественности, позволяла одновременно измерять 16 времяпролетных спектров, соответствующих совпадениям у-квантов различной кратности, и получать трехмерное изображение распределения множественности совпадений у-квантов для отдельных резонансов.
Параллельно с этим регистрировались акты рассеяния нейтронов. Для этого внутри детектора размещался борный (п,у)-конвертор и рассеянные нейтроны регистрировались по одиночным моноэнергетическим гамма-квантам с энергией 0,48 МэВ от реакции В(п,ау). Кроме того, конвертор играл роль защиты детектора от самих рассеянных нейтронов. Заметим, что измерение рассеяния нейтронов таким способом отличается высокой эффективностью и позволяет расширить круг резонансов, доступных для измерений.
Сортировка поступающей с детектора информации, ее накопление и запись в виде файлов 16x4 Кб по 2 мкс на канал осуществлялась в специальном измерительном модуле на основе PC.
Первичная обработка сводилась к определению площадей SK после вычитания фоновых компонент под резонансами для времяпролетных спектров различной множественности к=1-8 и к определению долей актов захвата рк = SK / Ек (SK), соответствующих одновременной регистрации у-квантов к-ой множественности, а также средних значений множественности к = к Р(КК) для каждого резонанса.
Одновременное измерение времяпролетных спектров захвата и рассеяния нейтронов позволило произвести оценку нейтронных и радиационных ширин для значительного числа резонансов. Для этого использовалось выражения для площадей под резонансными пиками Sn - в спектре рассеяния нейтронов и SY - в спектре гамма-квантов захвата всех кратностей: где: П(Е) - поток нейтронов резонансной энергии Е на единичный интервал энергии за время измерений на всю площадь образца, А -площадь соответствующая резонансному провалу на кривой пропускания, є„ и єу - эффективности регистрации актов рассеяния и захвата нейтронов. Произведение П(Е).Єу нормировалось обычно по резонансам с хорошо известными резонансными параметрами. Энергетическая зависимость потока измерялась ранее [25], но дополнительно она проверялась по известным резонансам 238U. Предполагалось, что є„ и Єу практически не меняются от резонанса к резонансу, а єп не зависит также и от рассеивающего материала мишени.
Значения энергий нейтронных резонансов определялись относительно эталонных значений энергии резонансов 238U [25]. Благодаря идентичности условий измерений образцов урана-238 и исследуемых изотопов, а также способов обработки результатов измерений, значения энергий резонансов фактически лишены систематических ошибок. Обработка измеренных спектров захвата и рассеяния нейтронов велась по программе ANS [26], которая были разработана специально для такого типа задач в ЛНФ ОИЯИ.
Функции пропусканий, полные и парциальные сечения и их факторы резонансной блокировки для Мо
Проведенные исследования радиационного захвата резонансных нейтронов методом спектрометрии множественности, благодаря введению нового параметра множественности гамма-квантов, позволили идентифицировать резонансы Sm и по спину и определить неизвестные ранее значения спина для ряда резонансов этого изотопа в области энергий 400-900 эВ. Это дало возможность уточнить значения нейтронных силовых функций для резонансов с различными значениями спина, которые в диапазоне 15-600 эВ оказались равными S0 (3") = (6.2+1.6-1.1).10-4 для J = 3 и S0 (4") = (3.0+0.6-0.9).10-4 для J = 4", причем различие в значениях силовых функций обусловлено, главным образом резонансной структурой в диапазоне энергий 300-600 эВ. Значения So(3") и So(4") области энергий до 300 В хорошо согласуются с результатами, полученными в работе [30].
Определение радиационных ширин резонансов 147Sm показало, что Гг незначительно изменяются от резонанса к резонансу, не выходя за пределы, обусловленные ошибками измерений. Таким образом, не подтверждаются большие флуктуации, указанные в [32]. Найдено среднее значение Гу =(75±4) мэВ для резонансов с различными спинами. Значения ГУ (З и ГУ (4 ) в пределах ошибок оказались одинаковыми для ,47Sm.
Для 148Sm определено положение 29 резонансных уровней в диапазоне энергий до 3 кэВ. В области, где, по-видимому, нет пропуска уровней, найдено среднее расстояние между уровнями Do = (109±10) эВ, а также значение силовой функции So = (3.2+1.0-2.5)40-4, хорошо согласующееся со значениями So в этой области массовых чисел.
Для радиационных ширин уровней I48Sm получено среднее значение Гу = 45 мэВ. Эта величина значительно меньше, чем у других изотопов самария и является одной из наименьших для ядер в данной области атомных масс.
Для исследованного нуклида l49Sm [31] Гу были известны ранее только до энергии 80 эВ при значительном разбросе их значений от 50 мэВ до 150 мэВ [32,33]. Такие большие флуктуации Гг в этом районе массовых чисел неожиданны, поэтому было целесообразно определить их заново, тем более, что кроме разброса значений Гу наблюдается систематический их рост с увеличением энергии резонансов.
Как и в случае 147Sm радиационные ширины для 149Sm были получены в основном по простой формуле (2.33) при использовании соотношений Sn / Sy, єп І Єу и Гп. Отношение эффективностей &у І єп в случае изотопа 149Sm равно 0.58±0.08. Оно находилось из эксперимента путем проведения нормировки по пяти низколежащим хорошо разрешенным и сильным резонансам, для которых довольно точно известны Гу и Г„ [33]. При этом считалось, что благодаря высокой эффективности регистрации у-квантов, и п практически не меняются от резонанса к резонансу.
В основном нейтронные ширины брались из работы [33]. В случае появления сомнений в их величине или при получении значений Гу , сильно отличающихся от средних, было проведено независимое определение Г„ для 14 резонансов. Для большинства из них величины Гп совпали в пределах ошибок измерений с данными [33], но для двух резонансов при энергии 40.2 эВ и 134.1 эВ значения Гп существенно отличаются см. табл.8. При определении параметров резонансов в значения Sr и S„ вводились поправки, учитывающие вклады регистрации актов захватав в канале рассеяния 4% и актов рассеяния в канале захвата от 5% до 15% в зависимости от энергаи нейтронов.
Значения энергий резонансов и радиационных ширин, полученных в области энергии до 270 эВ, приведены в таблице 7 и сравниваются с данными работы [33]. Из таблицы видно, что удалось определить около 40 ранее неизвестных радиационных ширин.
Можно также заметить их значительно меньшие флуктуации по сравнению с данными [33] и отсутствие систематической тенденции роста значений ширин с увеличением энергии возбужденных состояний. Так, характеризующее величину флуктуации число степеней свободы vy, рассчитанное по известному соотношению vy = 2» Г2 / (Гу2 - Гу2) увеличилось с 21.7±3.1 до 55.4±7.8. Однако приведенная величина не отражает истинного числа степеней свободы, так как дисперсия Гу является суммой дисперсий истинной физической дисперсии и дисперсии, связанной с ошибками эксперимента. В связи с этим истинная дисперсия существенно меньше наблюдаемой, а число п на самом деле значительно больше указанных значений.
Полученная средняя величина радиационной ширины для 51 резонанса равна (75±3) мэВ [31], что несколько меньше по сравнению со средним значением в работе [33] (88 мэВ) и совпадает с Г для 147Sm.
Недеформированные ядра изотопов олова содержат магическое число протонов и поэтому являются удобным объектом для проверки теоретических моделей ядра. Кроме того, измерение сечения радиационного захвата изотопов олова интересно также с точки зрения исследования процессов нуклеосинтеза в астрофизике. Нами исследованы изотопы u7Sn, 119Sn [36, 37]. Ниже представлены результаты исследования реакции (п,у) на изотопе "7Sn в области энергий до 6000 эВ. К моменту наших измерений информации о резонансных параметрах этого изотопа олова имелось мало, были определены спины и радиационные ширины только для 11 резонансов и установлено энергетическое положение для 56 резонансов в диапазоне от 1 эВ до 3 кэВ. Основные характеристики образцов-радиаторов изотопов олова приведены в таблице 9. Изотоп Sn использовался для измерения фона.
Методика измерения величины альфа для и в области энергий тепловых нейтронов 1 мэВ-2эВ
Реакторные материалы Nb, Mo, W, Pb, Th, U присутствуют во многих типах ядерных энергетических установок в виде легирующих примесей, осколков деления, теплоносителя, исходного сырья для производства топливных материалов 233U, 239Pu. Диффереснциальные и групповые полные, парциальные сечения, резонансные параметры, факторы резонансной блокировки в полных сечениях для этих материалов были получены в основном в пятидесятые-шестидесятые годы прошлого столетия [46, 47, 48, 49] на нейтронных источниках с электронными и протонными ускорителями. В конце шестидесятых - начале семидесятых годов после запуска бустерного режима работы ИБР-30, благодаря укорочению нейтронной вспышки до 4 мкс при высоком нейтронном потоке, стало возможным проведение исследований резонансной структуры различных нейтронных сечений и их интегральных резонансных характеристик по методу измерения пропусканий на толстых образцах-фильтрах. В семидесятые - девяностые годы на созданных автором установках ТЭКС, ПАРУС, РОМАШКА с многосекционными детекторами нейтронов и гамма-лучей [7, 11, 16] были измерены полные пропускания, функции самоиндикации в сечениях рассеяния и радиационного захвата на большом наборе толщин образцов-фильтров Nb, Mo, W, Pb, 232Th, ши при температурах 77 К - 1000 К. Это позволило уточнить полные сечения, парциальные сечения рассеяния и радиационного захвата, впервые определить факторы резонансной блокировки и допплеровские коэффициенты в них, средние резонансные параметры в широком диапазоне энергий от 2 эВ до 200 кэВ [15, 16, 59, 65, 69, 72-80, 84, 86].
На 1006 м пролетной базе ИБР-30 с помощью установки ТЭКС были измерены полные пропускания и функции самоиндикации в сечении рассеяния для Nb, Mo, W, Pb, 23 Th; U в области энергий 0.1 - 200 кэВ . При измерении полных пропусканий использовались образцы - радиаторы из плекса либо из свинца толщиной 5 мм, которые устанавливались на нейтронном пучке внутри детектора. При измерении функций самоиндикации в рассеянии и сечений рассеяния внутри детектора находился тонкий образец-радиатор из исследуемого материала, либо из свинца, который использовался в качестве стандарта. Для измерения полных пропусканий в диапазоне энергий 2 эВ-100 кэВ применялись также другие нейтронные детекторы, в том числе батарея из 91 3Не счетчика типа СНМ-50 [18, 154]. Образцами-фильтрами служили металлические диски различной толщины, которые устанавливались перед детектором на расстоянии, обеспечивающем условия хорошей геометрии.
Измерения сечений радиационного захвата ниобия, естественного молибдена и вольфрама производились на установках ПАРУС и РОМАШКА. Тонкие образцы-радиаторы из исследуемых материалов Nb, Mo, W, Th и образцы из обедненного 238U (стандарты по сечению радиационного захвата) попеременно ставились на нейтронный пучок внутри (п,у)-детекторов при измерении времяпролетных спектров с кратностью у-лучей с 1-й по 7-ю. Эти спектры служили исходной информацией для получения функций самоиндикации и сечений радиационного захвата, а также для определения резонансных параметров.
Аналогичные величины определялись расчетным путем по программам ГРУКОН [50], FEDGROUP [51] с использованием одноуровневого приближения для расчета нейтронных сечений и их интегральных резонансных характеристик на основе оцененных данных различных библиотек ENDF/B [52, 56], JENDL [53], БРОНД [54], JEF [55]. Ниже приводятся результаты эксперимента и расчета, дается их анализ и сравнение с другими подобными данными.
На 122 м, 501 м и 1006 м пролетных базах ИБР-30 были измерены времяпролетные спектры для нескольких толщин металлических образцов - фильтров Nb с помощью нейтронных и (п,у) - детекторов. Типичные времяпролетные спектры (п,у) - реакции для ниобия представлен на рис. 34. После проведения первичной обработки измеренных времяпролетных спектров, которая включала в себя: построение фоновых спектров по реперным точкам, вычитания их из исходных спектров, введения мониторных поправок на временные флуктуации потока нейтронов, представление спектров в различных энергетических нтервалах, в том числе и системы констант БНАБ [57], деления спектров с образцом на
спектры без образца в нейтронном пучке, были получены групповые полные пропускания функции самоиндикации, из которых были определены полные и парциальные сечения и их где: Ф(Е) - спектр нейтронного пучка: є(Е) - эффективность детектора: at (Е, 6) и ax (Е, 9) -полное и парциальное сечение; п - толщина образца-фильтра; Е - энергия нейтрона; 6 -температура образца-фильтра; No6p и N„,n - счет детектора с образцом и без образца на нейтронном пучке в энергетическом интервале ДЕ; Fo6P и Fo/„ - фон детектора с образцом и без образца; М - мониторный коэффициент; х = t, s, с, f - процессы взаимодействия нейтрона с ядром (полное, рассеяние, захват, деление).
Полные пропускания и функции самоиндикации в сечении рассеяния были получены из времяпролетных спектров для 7 толщин образцов-фильтров в виде металлических ниобиевых дисков диаметром 80 мм при комнатной температуре в диапазоне энергий 0.1 - 200 кэВ [59, 69]. Аналогичные функции пропусканий были получены по программам ГРУКОН [50]; FEDGROUP [51] на основе оцененных данных отмеченных выше библиотек. Расчетные значения полных пропусканий и функций самоиндикации в рассеянии получена на основе одноуровневого приближения Брейта-Вигнера по индивидуальным параметрам разрешенных резонансов и средним резонансным параметрам в неразрешенной области энергий выше 6.5 кэВ библиотеки ENDF/B-6.7 [56].
Следует отметить, что при измерении полных пропусканий доли фоновых составляющих во временных спектров были около 10% в области энергий нейтронов 4-200 кэВ, в нижней области энергий фоны возрастали до 70%. С изменением толщины образца фильтра доли фоновых составляющих мало изменялись. В случае измерения функций самоиндикации в сечение рассеяния доли фонов возрастали в отмеченных выше энергетических интервалах до 50-90 %,что приводило к уменьшению пропусканий на 5-Ю %. Конечные экспериментальные значения полных пропусканий и функций самоиндикации в сечении рассеяния Nb [59] представлены в таблице 16 и на рис. 35.
![Детекторные характеристики YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот](/i/i/4489/166246.png "Детекторные характеристики YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот Лятти Матвей Валерьевич")
