Источники нейтронов. Классификация нейтронов по энергии

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

1. Общие характеристики нейтронов………………………………….…3

       1.1 Классификация нейтронов…………………………………….…3

       1.2 Быстрые нейтроны………………………………………………..6

       1.3 Медленные нейтроны………………………………………….…8

2.  Источники нейтронов……………………………………………….…10

       2.1 Изотопные (ампульные) источники нейтронов………………...11

       2.2 Ядерные реакторы………………………………………………..12

       2.3 Нейтронные генераторы…………………………………………15

       2.4 Использование ускорителей для генерации нейтронов…….….17

       2.5 Нейтронный источник на пироэлектрических кристаллах….…21

Заключение………………………………………………………………...22

Список использованных источников…………………………………….24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЙТРОНОВ

 

Нейтрон – это нейтральная (z=0) частица со спином s=l/2 и отрицательным магнитным моментом μn ≈ -1,9μB, который в основном определяет электромагнитное взаимодействие нейтрона. Так же как и протону, нейтрону приписывают единичный барионный заряд Вn=+1, изотопический спин Т=1/2 (с проекцией Tζ= -1/2) и положительную внутреннюю четность РB=+1. Масса нейтрона составляет mn = 1,00867 а. е. м. = 939,6 МэВ = 1838,6 mе, что на 1,3 МэВ (2,5mе) больше массы протона. В связи с этим нейтрон является β-радиоактивной частицей. С периодом полураспада T1/2≈10 мин он распадается по схеме .

 

1.1 Классификация нейтронов

 

Энергетический ход сечений нейтронных реакций (сечение взаимодействия нейтронов с ядрами) сильно и нерегулярно меняется от ядра к ядру при изменении А (число нуклонов) или Z (число протонов). Несмотря на это, все же удается провести полезную для практики классификацию нейтронных энергий, т. е. выделить различные области энергий так, что для каждой области оказываются характерными определенные типы реакций.

Таким образом, условно нейтроны делятся на:

– ультрахолодные (Е £ эВ);

– очень холодные ( £ Е £ эВ);

– холодные ( £ Е £ 0,025 эВ);

– тепловые (0,025 эВ £ Е £ 0,5эВ);

– резонансные (0,5 эВ £ Е £ 1кэВ)

– промежуточные (1 £ Е £ 500 кэВ);

– быстрые (500 кэВ £ Е).

Первые пять видов нейтронов иногда называют медленными, т.е. нейтроны с кинетической энергией, меньшей 100 кэВ. Приведенные значения граничных энергии условны. В действительности эти границы различны и зависят от типа явлений и конкретного вещества.

Из теории ядерных реакций известно, что сечения взаимодействий нейтронов с ядрами в среднем резко растут по закону «1/v» (v – скорость нейтрона) при уменьшении энергии нейтрона. Именно по этому свойству нейтроны разделяются на две большие группы — медленных и быстрых нейтронов. Граница между этими группами не является строго определенной. Она лежит примерно в области 10 – 100 кэВ. Медленные нейтроны сильно взаимодействуют с ядрами. Для быстрых нейтронов это взаимодействие значительно слабее. Однако, «медленность» медленных нейтронов весьма относительна. Даже нейтрон с энергией 0,025 эВ имеет, как нетрудно подсчитать, скорость 2 км/с.

У холодных, очень холодных и ультрахолодных нейтронов крайне велико сечение захвата ядрами (согласно закону «l/v»). У них также очень сильно проявляются волновые свойства, так как длина волны таких нейтронов намного больше межатомных расстояний. Однако использовании данных нейтронов затруднено сложностью их получения.

Энергия =0,025 эВ определяет порядок энергий тепловых нейтронов. В температурной шкале

 

= kT,                                                                                   (1.1)

где k – постоянная Больцмана, для абсолютной температуры, соответствующей энергии тепловых нейтронов, получается значение Т – 300 К, т. е. комнатная температура. Таким образом, энергия соответствует наиболее вероятной скорости нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой при комнатной температуре. В ядерных энергетических установках температура может значительно превышать комнатную. Кроме того, находящиеся в тепловом равновесии нейтроны имеют разброс по скоростям, в результате чего энергии довольно большой части нейтронов могут быть заметно больше kT. Поэтому к тепловым обычно относят нейтроны с энергиями примерно до 0,5 эВ. Сечения поглощения ядрами достаточно велики и для тепловых нейтронов. Получение этих нейтронов даже в очень больших количествах является хорошо освоенным процессом. Поэтому тепловые нейтроны широко используются в ядерной технике.

Нейтроны с энергиями от 0,5 эВ до 1 кэВ называют резонансными, потому что в этой области для средних и тяжелых ядер полное нейтронное сечение довольно велико и график его зависимости от энергии представляет собой густой частокол острых резонансов.

Нейтроны с энергиями от 1 до 100 кэВ называют промежуточными. Часто в промежуточные включают и резонансные нейтроны. В этой области энергий отдельные резонансы сливаются (исключением являются легкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии.

К быстрым относят нейтроны с энергиями примерно от 100 кэВ до 14 МэВ. Сечения взаимодействия таких нейтронов с ядрами уже намного меньше, чем для медленных нейтронов. Прикладное значение быстрых нейтронов обусловлено тем, что основным техническим источником нейтронов является реакция деления ядер, порождающая нейтроны мегаэлектронвольтных энергий. Далее эти быстрые нейтроны деления иногда используются непосредственно, а чаще превращаются в медленные путем специального процесса замедления.

Нейтроны с энергиями выше 14 МэВ из-за дороговизны их получения широкого практического применения не получили и пока используются главным образом для исследований в физике ядерных реакций и элементарных частиц.

В ядерной энергетике в основном приходится иметь дело с нейтронами, обладающими энергиями примерно от 0,025 эВ до 10 МэВ.

 

1.2 Быстрые нейтроны

 

 

В ядерных реакциях, образуются, как правило, быстрые нейтроны (с энергией 0,1-1МэВ). Быстрые нейтроны при соударениях с атомными ядрами теряют энергию большими порциями, расходуя её, главным образом, на возбуждение ядер или их расщепление. В результате энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения ядра (от десятков кэВ до нескольких МэВ в зависимости от свойств ядра). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим, т.е. нейтрон расходует энергию на сообщение ядру скорости без изменения его внутреннего состояния. При одном упругом соударении нейтрон теряет в среднем долю энергии, равную 2A/(A+1)2, где А – массовое число ядра-мишени. Эта доля мала для тяжёлых ядер (1/100 для свинца) и велика для лёгких ядер (1/7 для углерода и 1/2 для водорода). Поэтому замедление нейтронов на лёгких ядрах происходит гораздо быстрее, чем на тяжёлых.

Полное сечение взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами представляет собой сумму сечений неупругого рассеяния и сечения дифракционного рассеяния :

 

,                                                                          (1.2)

,                                                                         (1.3)

,                                         (1.4)

 

где – длина волны де Бройля нейтрона, р — импульс налетающего нейтрона.

Оценим радиус ядра:

 

                                                                                (1.5)

Экспериментально показано, что радиус ядра зависит от массового числа А:

 

.                                                            (1.6)

 

Для легких ядер

 

.                                            (1.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Медленные нейтроны

 

Энергия медленных нейтронов в ядерной шкале близка к нулю. Поэтому они не могут вызывать неупругого рассеяния и других эндотермических процессов. Действительно, например, первый возбужденный уровень у ядер обычно имеет энергию порядка десятка кэВ, а часто и больше. Ясно, что нейтрон с энергией меньше 10 кэВ рассеиваться с возбуждением ядра не может. Таким образом, для медленных нейтронов возможны только упругое рассеяние на ядрах и экзотермические реакции. Наиболее универсальной (идущей на всех ядрах, кроме и ) экзотермической нейтронно-ядерной реакцией является радиационный захват.

Сечение рассеяния медленных нейтронов ~ .

Сечение захвата медленных нейтронов в области резонансов описывается формулой Брейта-Вигнера:

 

,                                                (1.8)

,                                                (1.9)

где – энергия уровня, Г – ширина уровня составного ядра, Гn/Г и Гγ/Г – вероятности перехода ядра в основное состояние с испусканием нейтрона или γ-кванта.

Спиновый множитель представляет собой вероятность образования 2J + 1 состояний составного ядра со спином s при взаимодействии медленных нейтронов с l=0 и спином sn = Ѕ и ядра мишени со спином I:

 

.                                                                     (1.10)

 

При >>

~ υ = const.                                                                        (1.11)

При низких энергиях нейтронов из (1.11) следует, что << и

 

Г= + ≈ .                                                                             (1.12)

 

Медленные нейтроны и, в частности, тепловые имеют огромное значение для работы ядерных реакторов. Большие потоки тепловых нейтронов в ядерных реакторах широко используются также для получения радиоактивных изотопов. Исследования неупругого рассеяния тепловых и холодных нейтронов дают важные сведения о динамике атомов в твёрдых телах и жидкостях и о свойствах молекул. Сечение захвата холодных нейтронов ядрами очень большое, поскольку у них сильно проявляются волновые свойства (длина волны де Бройля больше межатомных расстояний).

Тепловые и холодные нейтроны, очевидно, не возбуждают атомные ядра и даже отдельные атомы. Но даже медленные нейтроны имеют энергии, достаточные для того, чтобы возбуждать кванты акустических колебаний кристаллической решетки – фононы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ИСТОЧНИКИ НЕЙТРОНОВ.

 

Радиево-бериллиевые источники. Впервые нейтроны были получены с помощью α-частиц радиевых препаратов. Реакция (α, n): 24He + 49Be → 612C + n.

Фотонейтронные источники. Реакция (γ, n): γ + 12H → p + n – фоторасщепление дейтона на протон и нейтрон.

Реакции типа (d, n) в ускорителях (реакции срыва): d + 49Be → 510B + n.

При энергии дейтонов Ed ≈ 16 МэВ получают ≈ 109 n/(см2∙с) с энергией En ≈ 4 МэВ. При энергии дейтонов ≈ 200 МэВ в реакциях срыва на средних и тяжёлых ядрах получают пучки нейтронов с En ≈ 100 МэВ.

Ядерные реакции (деление ядер урана в реакторе). При захвате нейтрона тяжёлым ядром, последнее делится на осколки, испуская при этом 2-3 нейтрона. В осколках число нейтронов больше числа протонов, как и в исходных ядрах. Выделившиеся нейтроны, сталкиваясь с ядрами, снова вызывают их деление и т.д., т.е. возникает цепная реакция. Образующиеся в этой реакции нейтроны имеют энергию ≈ 0–13 МэВ (плотность потока нейтронов ≈ 1019 n/(см2∙с)).

Источниками нейтронов могут быть и другие процессы (реакции) при варьировании, например, ядер мишени или типа ускоренных частиц. Это тесно связано с проблемой искусственного получения нуклидов (ядер с различными Z и A). В настоящее время известно около 3000 нуклидов (т.е. ядерный мир богаче мира химических элементов или атомов). Среди необычных ядер, полученных искусственно, такие как 210He; 68C; 812O; и т.д. до 118293M. Известно 285 стабильных и долгоживущих (T1/2 > 5∙108 лет) нуклидов и около 2700 радиоактивных с меньшими T1/2. Вообще оценивают, что искусственно может быть получено 5000 – 6000 ядер.

 

 

2.1 Изотопные (ампульные) источники  нейтронов

 

    В изотопных источниках  нейтроны получаются либо в  результате спонтанного деления (252Cf), либо в результате ядерных реакций (α,n) на легких ядрах, например 9Be(α,n)12C. В качестве источников альфа-частиц используются альфа-активные изотопы 210Po, 226Ra, 239Pu, 241Am. Интенсивность потока нейтронов от изотопных источников ограничена активностью препарата и обычно заметно меньше 108 нейтронов в секунду. Кроме того, такие изотопные источники имеют сплошной спектр нейтронов (~0.1 - 12 МэВ) и высокий фон гамма-излучения.  Изотопные источники монохроматических нейтронов небольших энергий можно создать, использовав реакцию (γ,n). Для этого используется реакции d(γ,n)p (энергия реакции Q = -2.23 МэВ) с монохроматическим источником гамма-квантов на основе 208Tl (Eγ = 2.62 МэВ), энергия нейтронов 200 кэВ и 9Be(γ,n)24He (Q = -1.65 МэВ) с источником гамма-квантов на основе 214Bi (Eγ ≈ 1.78 МэВ), энергия нейтронов 110 кэВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Ядерные реакторы

 

1. Станционарные реакторы

    Первый ядерный реактор  был создан под руководством  Э. Ферми в 1942 г. в Чикаго. Первый  реактор, предназначенный для пучковых  исследований (HFBR), был создан в 1965 г. в Брукхэйвене. Сегодня в мире работает несколько десятков исследовательских реакторов.

Для использования времяпролетной методики на станционарных реакторах устанавливаются прерыватели. С помощью двух прерывателей возможно формирование монохроматического пучка нейтронов. Первый прерыватель служит для получения импульсного пучка. Второй, установленный на некотором расстоянии от первого - для его монохроматизации. Нейтроны больших энергий долетают до второго прерывателя быстрее, чем нейтроны меньших энергий. Подобрав соответствующим образом скорости вращения прерывателей, можно добиться ситуации, когда второй прерыватель будет пропускать нейтроны, только в определенном энергетическом дапазоне. На реакторе ПИК (ПИЯФ) механический монохроматор состоит из 4-х однотипных модулей, которые размещены вдоль коллимированного пучка нейтронов. Каждый модуль представляет собой ротор, изготовленный из прочного стального сплава. Энергетическое разрешение прибора зависит от скорости вращения роторов и энергии пропускаемых нейтронов. В частности, при скорости 15000 об./мин и энергии нейтронов, равной Е ≈ 1 эВ, на которую настроен монохроматор, ΔЕ/Е ≈ 0.05.