Гамма-излучение радиоактивных материалов можно использовать для получения
11.Какие нейтронные источники можно использовать для опытов с моноэнергетическими нейтронами?
Гамма-излучение радиоактивных материалов можно использовать для получения
нейтронов по ( γ , n )-реакции, если E γ > Eсв .Реально используют реакции на Ве (Eсв =1,67 МэВ) и D
(Eсв = 2,23 МэВ). Энергия получаемых нейтронов Eн равна:
Eн = E γ - Eсв - Eяо , где Eяо – энергия ядра отдачи. В реакции на дейтерии образуются нейтроны с энергией 23 кэВ, на бериллии – с энергией 969 ± 5 кэВ.Фотонейтронные источники дают почти моноэнергетические нейтроны . Их недостатки – сильный фон гамма-излучения (на 1 нейтрон 103 гамма-квантов), а также короткие периоды полураспада. Уникальное свойство фотонейтронных источников – они испус-кают моноэнергетические нейтроны, что дает возможность определять абсолютные величины сечений нейтронных реакций при определенной энергии( 124SbBe, 24NaBe)
Моноэнергетические нейтроны из мишеней ускорителей
тяжелых частиц. Используются (р, n)- и (γ, n)-реакции на легких ядрах. Рассмотрим случай: частица массой m1 и энергией Е1 сталкивается с ядром массой m2 , находящимся в покое. В результате образуется ядро массой m3 и энергией E3 и нейтрон массой mн
и энергией Eн .Внутренняя энергия, выделяющаяся при реакции, Q =(m1 + m2 ) - (m3 + +mн ) . Если Q > 0 (экзоэнергетическая реакция), то реакция возможна при любой энергии E1 , если Q < 0 (эндоэнергетическая реакция) – реакция пороговая и она возможна при E1> Eпор .
В системе центра масс:
откуда 
. Минимальная
Ен =0, откуда 
Скорость нейтрона в лабораторной системе связана с его скоростью в системе центра масс: 
, а квадрат ее значения равен 
, где θугол вылета нейтрона по отношению к направлению движения налетевшей частицы. Таким образом, энергия нейтронов, вылетающих из мишени под определенным угломθ , строго фиксирована. Установив экспериментальную систему под углом θ, можно использовать для опыта моноэнергетические нейтроны с определенной энергией. Требования к источнику заряженных частиц: разброс заряженных частиц по энергии должен быть минимален;толщина мишени должна быть невелика, чтобы из-за потерь энергии при столкновениях внутри мишени не увеличивался разброс нейтронов по энергии; у остаточного ядра-продукта реакции не должно быть низкорасположенных уровней возбуждения
12.Укажите различие процессов регистрации ядерных частиц в ионизационной камере и пропорциональном счетчике
Устройство ионизационной камеры. Ионизационные камеры имеют разную форму и объем (от долей сантиметров в кубе до сотен метров в кубе). Минимальный ток, который можно измерить в камере, 10–18 А/см3. Такой ток создает космическое излучение и излучения природных радиоактивных материалов. Кроме того, существует ток утечки по поверхности изоляторов. С помощью специальных мер ток утечки можно снизить до уровня природногофона.Эквивалентная электрическая схема ионизационной камеры по-казана на рисТок в камере
I = e n0 S l , где n0 – число пар
ионов, возникших в единице объема
за 1 с, S – поперечное сечение каме-
ры, l – расстояние между электрода-
ми. Потерями на диффузию и реком-
|
бинацию пренебрегаем.
|
Проходящий через камеру ток
можно измерить по потенциалу на
резисторе RН Таким образом, заметить измене-
ния интенсивности излучения, происходящей с частотой > 0,1 Гц, будет невозможно – камера, работающая в токовом режиме, инерционнаИмпульсные ионизационные
камеры. Показанная на рис. 2.5 схема включения позволяет измерить заряд (или ток), созданный каждой отдельной частицей. Если RнC = tи(tи – время движения ионов в камере), то амплитуда импульса на Rн пропорциональна числу пар ионов,созданных частицей, т.е. ее энергии.С помощью импульсной камеры можно измерять не только число частиц и их распределение во времени,н ираспределениепоэнергииЭнергетическое разрешение ∆ E/ E определяется флуктуацией числа образованных частицей пар ионов:
η = ∆E/ E = C( F/ N)1/2 . Такое выражение соответствует случаю, когда пробеги всех час-
тиц укладываются в рабочем объеме камеры. Счетчик с газовым усилением. При высокой напряженностиполя электроны между соударениями могут приобретать энергию,достаточную для ионизации атомов газа, что ведет к росту тока иамплитуды импульса (так называемое газовое усиление). Коэффи-циент газового усиления определяется следующим образом:Число пар носителей, созданных частицей/Число пар носителей, возникших в детекторе . (2.10)На рис. 2.8 показана зависимость амплитуды импульса детектора от напряжения на электродах. Две кривые на рисунке соответст-вуют двум разным ионизационным эффектам (двум группам частиц разных энергий):
Сравнение свойств камер и счетчиков. Пропорциональныесчетчики имеют коэффициент газового усиления 102–103, что позволяет для регистрации импульсов использовать электронные системы с меньшим усилением. Время нарастания импульса в пропорциональных счетчиках короче, чем в ионизационных камерах, что позволяет увеличить скорость счета без наложения импульсов.Для детектирования медленных нейтронов используют камеры и счетчики, наполненные газом BF3 (бор обогащен изотопом 10В).Процесс детектирования основан на реакции 10B(n, α)7Li, ее сече-
ние σth = 3837 б и подчиняется закону 1/ν вплоть до энергии 250 эВ. Большинство реакций (n, α) приводит к образованию возбужденного состояния ядра 7Li с энергией 0,48 МэВ(при этом Q = 2,31 МэВ), и только в 10 % всех случаев7Li образуется в основномсостоянии с Q = 3,78 МэВ(см. рис. 2.10).Обычно пропорциональные счетчики наполнены газом BF3 до давления около 0,5 атм. При напряжении на счетчике2600 В газовое усиление вних достигает 20
13.Какие ускорители заряженных частиц можно использовать в качестве источников нейтронов?
Ускорители могут производить заряженные частицы с энергией выше, чем при распадах радиоизотопов. В качестве мишеней могут использоваться разные материалы. Например, если E α > 20 МэВ,то можно использовать любой нуклид в качестве мишени для получе- ния нейтронов по (α, n)-реакции. Хотя сечения обычно малы,высокая интенсивностьпуч-ков заряженных частиц дает возможность создавать мощные нейтронные источники, работающие в импульсном или стационарном режимах.Немоноэнергетические нейтроны из мишеней ускорителей заряженных частиц. При получении нейтронов на ускорителях электронов сначала, в результате торможения электронов в мишени возни- кает тормозное излучение, а затем происходят (γ, n)-реакции. Для получения нейтронов используются мишени из тяжелых металлов (свинец, уран). Выход нейтронов в случае использования электронов с энергией 30 МэВ составляет 1011 нейтр./(с мА).Спектр нейтронов максвелловский: N(E) = const E exp (– E/T),где Т – температура возбужден -ного ядра. Угловое распределение испускаемых нейтронов изотропное. Линейные уско-
рители электронов могут работать в импульсном или стационарном режиме С увеличе -нием энергии протона выход нейтронов резко увеличивается, их спектр и угловое распре деление изменяется.В спектре выделяются две группы нейтронов.1. Каскадные нейтроны возникают в результате нескольких столкновений протона с нуклонами внутри ядра. Их число почти не зависит от энергии протона и равно 2–3. 2. Испарительные нейтроны вы -летают из возбужденного ядра после окончания каскадного взаимодействия. Их число увеличивается с энергией протона и составляет 8–10. Спектр подобен максвелловскому.
Каскадные нейтроны испускаются в направлении движения протона, испарительные – изотропно.Ускорители, работающие в импульсном режиме и производя-
щие протоны с энергией 500–600 МэВ, носят название «синхро-
циклотроны» Моноэнергетические нейтроны из мишеней ускорителей
тяжелых частиц. Используются (р, n)- и (α, n)-реакции на легких ядрах. Установив экспериментальную систему под углом θ(см вопрос 11), можно использовать для опыта моноэнергетические нейтроны с определенной энергией.Требования к источнику заряженных частиц:разброс заряженных частиц по энергии должен быть минима-
лен;толщина мишени должна быть невелика, чтобы из-за потерь энергии при столкно -вениях внутри мишени не увеличивался разброс нейтронов по энергии;у остаточного ядра-продукта реакции не должно быть низкорасположенных уровней возбужденияРеакцию Т (p, n)3He используют для получения моноэнергетических нейтронов с энергиями до 10 МэВ (табл. 1.2). Максимальная величина сечения равняется 5,3 10–25 см2 при Ep = 2 МэВ, а затем несколько уменьшается из-за конкуренции Т (p, D). Угловое распределение нейтронов изменяется от резко анизотропного вблизи порога до почти симметричного относительно 90 при Ep = 6 МэВ. Реакцию D (d, n) часто используют для получения нейтронов с энергиями 2,5 МэВ на низковольтных ускорителях. Сечение реакции при Ed = 2 МэВ достигает 10–25 см2. При малых энергиях
распределение вылетающих нейтронов почти изотропное, затем анизотропия увеличивается. Реакция T (d, n) может давать нейтроны с энергией 14–30 МэВ
14.Какие детекторы могут (при одинаковых размерах) обеспечивать более высокую эффективность регистрации гамма-излучения: Ge или NaJ(Tl)?
Сцинтилляторы – вещества, в которых под действием заряженных частиц или излучений возникают фотоны видимой или ультрафиолетовой части спектра. Кроме того, они слабо поглощают эти собственные излучения.Вторая часть сцинтилляционного детектора – фотоэлектронныйумножитель (ФЭУ),. Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ,выбивают электроны. Под действием электрического поля эти электроны приобретают энергию и направляются на диноды ФЭУ,где происходит вторичная электронная эмиссия. В результате на анод ФЭУ приходит в 104–107 раз больше электронов, чем вылете-
ло с фотокатода. Возникает электрический импульс, который регистрируется .За-
висимость эффективности регистрации гамма-квантов сцинтиляторами от энергии хорошо изучена.Используют NaJ(Tl)-кристаллы ○63○63 мм для спектрометрии гамма-излучения с энергией 0,3–2,0 МэВ, ○40○40 мм для 0,1–1,0 МэВ, толщиной 1–3 мм – для спектрометрии рентгеновского излучения с энергией 0,01–0,1 МэВ.Измеряемая величина – число импульсов в фотопике SФ , набранных за время t, от гамма-квантов с энергией E
ППД можно представить в виде ионизационной камеры с твердым веществом между электродами. При поглощении ионизирующего излучения образуются носители электрических зарядов (элек-троны и дырки), которые под действием электрического поля собираются на электродахПри регистрации нейтральных частиц (hν или n) сигнал возникает в результате образования в ППД вторичных заряженных частиц, энергии которых неоднозначно связаны с энергией регистрируемых частиц.ППД широко применяются для регистрации гамма-квантов и неприменяются в спектрометрии нейтронов.Для расшифровки спектра гамма-излучения используют данные о фотопиках, поэтому наибольший интерес представляет вероятность регистрации в фотопике (пике полного поглощения). Эффективность детектора зависит от энергии регистрируемого излучения(рис. 2.17) и определяется экспериментально с использованием на-
бора калибровочных гамма-источниковЭффективность германиевых детекторов принято определять по отношению к эффективности регистрации гамма-излучения с энергией 1332 кэВ стандартным NaJ-детектором размерами 7,6 на7,6 см.Производят коаксиальные Ge-детекторы эффективностью 100 % идаже 200 %. Для примера: объем Ge-детектора с эффективностью 10 % составляет около 40 см3
15.Какую информацию дают измерения кадмиевого отношения R Cd
(информация из лабника): RCd =( N 0 - N ф )/ NCd
где N0 – скорость регистрации нейтронов детектором (счетчиком
нейтронов) без кадмиевого фильтра; Nф – скорость регистрации де-
тектором нейтронов фона; NCd – скорость регистрации нейтронов
детектором в кадмиевом фильтре Кадмиевый фильтр характеризуют параметром ЕCd – эффективной границей поглощения нейтронов в идеальном фильтра, для которого σa (E) = ∞ при E<ECd и σa (E) = 0 при E>ECd. Значение ЕCd определяют из условия сохранения скорости реакции, используемой в нейтронном детекторе, помещенном в реальный и идеальный кадмиевый фильтр:
где Ф(Е) – плотность потока нейтронов; σд(E) – микросечение ре-
акции, используемой для детектирования нейтронов; ΣCа d (E) –
макросечение поглощения нейтронов материалом кадмиевого
фильтра; d – толщина кадмиевого фильтра; П(d,ΣCa d (E)) –
пропускание нейтронов реальным кадмиевым фильтром
(из лекций)
RCd= 
= 
Определение параметра ρ 28 с помощью измерения кадмие-
вого отношения. Существует два способа определения ρ 28
один основан на измерении кадмиевого соотношения 238
RCd для реакции 238U(n, γ)
аналогично определяют величину 25δ