Общие характеристики нейтронов

Содержание

Введение …………………………………………………………………………..2

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

1.1.Классификация нейтронов …………………………………………………..4

2.Источники нейтронов ………………………………………………………….7

2.1. Ядерные реакторы …………………………………………………………...7

2.2.Нейтронные  генераторы ……………………………………………………..8

2.3.Нейтронный  источник на пироэлектрических  кристаллах ………………10

3.Регистрация  нейтронов ……………………………………………………….11

3.1.Типы  детекторов нейтронов ………………………………………………..11

3.1.1.Пропорциональные  счетчики …………………………………………….12

3.1.2.Пропорциональные  счетчики, наполненные гелием …………………...13

3.1.3.Пропорциональные  счетчики на ядрах отдачи ………………………….14

3.1.4.Пузырьковые  детекторы ………………………………………………….14

Заключение ………………………………………………………………………15

Список  использованной литературы

 

 

 

 

Введение

 

При прохождении через  вещество частицы взаимодействуют  с атомами, из которых оно состоит, т. е. с электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядра).

Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Проходя через  вещество, нейтроны непосредственно  не ионизируют атомы и молекулы, как заряженные частицы. Поэтому  нейтроны обнаруживают по вторичным  эффектам, возникающим при взаимодействии их с ядрами. При столкновениях  с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые  ионизируют и возбуждают атомы среды. В результате соударения нейтронов  с ядрами вещества природа последних  не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом следует  рассматривать упругое и неупругое  рассеяния. При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся  частиц. Происходят ядерные реакции  типа (n, α), (n, p), (n, 2n) и т.д., и наблюдается деление тяжелых ядер.

Благодаря своей электрической  нейтральности нейтрон любой  энергии легко проникает в  ядро и вызывает разнообразные ядерные  превращения, а также претерпевают рассеяние на ядрах. Интенсивностью этих микроскопических процессов, в  конечном счете, определяются все макроскопические свойства прохождения нейтронов  через вещество, такие, как замедление, диффузия, поглощение и т. д.

Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с атомными ядрами. В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его  взаимодействие с ядрами можно разделить  на два класса:

1) упругое потенциальное  рассеяние на ядерных силах  без попадания нейтрона в ядро (n, n)пот;

2) ядерные реакции разных  типов: (n, γ), (n, p), (n, α), реакция деления и др.; неупругое рассеяние (n, n'), упругое рассеяние с заходом нейтрона в ядро – упругое резонансное рассеяние (n, n)рез.

Относительная роль каждого  процесса определяется соответствующим  сечением. В некоторых веществах, для которых роль упругого рассеяния  относительно высока, быстрый нейтрон  теряет свою энергию в серии последовательных актов упругого соударения с ядрами вещества (замедление нейтронов). Процесс  замедления продолжается до тех пор, пока кинетическая энергия нейтрона не сравняется с энергией теплового  движения атомов замедляющего вещества (замедлителя). Такие нейтроны называются тепловыми. Дальнейшие столкновения тепловых нейтронов с атомами замедлителя  практически не изменяют энергии  нейтронов и приводят только к  перемещению их в веществе (диффузия тепловых нейтронов), которое продолжается до тех пор, пока нейтрон не поглотится ядром.

Вопросы взаимодействия быстрых  и медленных нейтронов со средой чрезвычайно важны при рассмотрении различных задач нейтронной физики и, в частности, для конструирования  ядерных реакторов.

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.

2.Источники нейтронов

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 (E_γ = 2.62 МэВ), энергия нейтронов 200 кэВ и ⁹Be(γ,n)2⁴He (Q = -1.65 МэВ) с источником гамма-квантов на основе ²¹⁴Bi (E_γ ≈ 1.78 МэВ), энергия нейтронов 110 кэВ.

2.1. Ядерные 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. Принцип действия одного из типов прерывателя - прерывателя Ферми проиллюстрирован на рис. 1. 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.

Ядерные реакторы с непрерывным  потоком нейтронов имеют ограничения  по потоку, связанному в основном с  проблемой охлаждения. В импульсных реакторах при той же средней  мощности выход используемых для  исследований нейтронов многократно  возрастает. В последнее время  число исследовательских реакторов  уменьшается и будущее интенсивных  нейтронных источников связано с использованием ускорителей.

2.2.Нейтронные генераторы.

В нейтронных генераторах обычно используются реакции t(d,n)⁴He и d(d,n)³He, максимумы сечения которых находятся при небольших энергиях (см. рис. 4 и 5). Это позволяет использовать небольшие ускорители, например, каскадные генераторы. Энергия дейтронов 130 кэВ в с.ц.и., при которой достигается максимум сечения реакции d(t,⁴He)n соответствует энергии в л.с. ~220 кэВ. Энергия ускоренных частиц в таких нейтронных генераторах обычно 100 - 300 кэВ. Как правило, ускоряются дейтроны.

Так как энергия этих реакций заметно больше энергии ускоряемых частиц, нейтроны вылетают из мишени почти с одинаковыми энергиями. При энергии дейтронов 200 кэВ энергия нейтронов во всем диапазоне углов варьируется от 15.1 до 13.2 МэВ.  Нейтронный генератор может быть точечным моноэнергетическим источником нейтронов. Нейтроны из реакции d-t вылетают из мишени практически изотропно. Угловое распределение нейтронов из реакции d-d имеет небольшой максимум в направлении дейтронного пучка.    При небольших энергиях дейтронов альфа-частицы из реакции d(t,⁴He)n вылетают из мишени-конвертера под углами близким к 180^о относительно направления вылета нейтронов (см.рис.6). Если регистрировать альфа частицы, то соответствующие им нейтроны оказываются как бы "меченными". Энергии и направления вылета из мишени-конвертера нейтронов через кинематические соотношения однозначно связаны с энергиями и углами вылета альфа-частиц. Таким образом можно осуществить электронную коллимацию нейтронного пучка. Момент вылета нейтрона из мишени также фиксируется с помощью детектирования сопутствующих альфа-частиц, что может быть использовано во времяпролетной методике Ускорители, используемые в таких нейтронных генераторах, обычно непрерывного действия. Чтобы получить импульсный пучок используют импульсные ионные источники или устройства отклонения и группировки. 

Мишени-конвертеры нейтронных генераторов, позволяющих получить высокоинтенсивные потоки нейтронов, обычно твердотельные, и представляют собой тонкие слои (до нескольких десятков мкм) титана, скандия или цинка, нанесенные на медную подложку. Эти металлы способны образовывать так называемые металлические гидриды. Так гидриды титана или скандия способны удерживать до двух атомов изотопов водорода на один атом металла. Это свойство металлических гидридов позволяет использовать их в качестве аккумуляторов изотопов водорода и в частности изготовлять из них мишени-конвертеры. Энергия, теряемая пучком заряженных частиц в мишени может достигать больших величин (до десятков кВт на квадратный сантиметр). Это требует эффективного охлаждения. Обычно используется водяное охлаждение. Кроме того, мишень часто представляет быстро вращающийся диск. Таким образом увеличивается эффективная площадь, на которую попадает пучок. На нейтронных генераторах, использующих реакцию d(t,⁴He)n удается получить потоки нейтронов до ~10¹⁴ нейтронов/с на телесный угол 4π. У "стандартных" нейтронных генераторов они заметно меньше (~10¹⁰ нейтронов/с). Нейтронные генераторы могут быть весьма малогабаритными, например, для работы в скважинах.