Лабораторная работа №3 взаимодействие нейтронов с веществом

Цель и задачи работы. Изучение искусственной радиоактивности изотопов серебра, возникающей при облучении естественной смеси изотопов и тепловыми нейтронами; определение периода полураспада изотопов серебра по кривым активации и радиоактивного распада.

Введение. При прохождении нейтронов через вещество могут иметь место два вида взаимодействия их с ядрами поглощающей среды: 1) в результате соударений нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах (упругое взаимодействие), 2) в результате соударений нейтронов с ядрами изменяется природа соударяющихся частиц (неупругое взаимодействие). Результатом упругого взаимодействия является перераспределение кинетической энергии взаимодействующих частиц и изменение направления движения после столкновения. В результате неупругого взаимодействия происходят ядерные реакции с поглощением нейтрона и испусканием различных частиц, (например, реакции типа (n, ), (n, p), (n, ), (n, 2n) и другие, а также реакция деления, характерная для тяжелых ядер). Вероятность протекания той или иной реакции определяется ее сечением взаимодействия.

В данной лабораторной работе основной ядерной реакцией, протекающей под действием нейтронов, является реакция типа (n, ), которая называется радиационным захватом. Реакция протекает по механизму образования возбуждённого составного ядра, т.е. в результате захвата нейтрона ядром (A, Z) атома мишени образуется промежуточное (составное) ядро (A+1, Z) в возбужденном состоянии. Далее, через определенный промежуток времени промежуточное ядро распадается с испусканием -квантов с энергией, соответствующей переходу ядра из возбужденного состояния в основное.

Реакция радиационного захвата нейтрона в общем виде записывается как

, (3.1)

де - исходное ядро, и - ядро - продукт в возбуждённом и основном состояниях соответственно. Поскольку нейтрон не обладает зарядом, то при захвате образуется изотоп элемента, участвующего ядерной реакции. В результате увеличения числа нейтронов возникают условия, определяющие нестабильность полученного изотопа относительно -распада. Поэтому такие ядра обычно являются ^– активными и распадаются согласно схеме

. (3.2)

Таким образом, при обстреле стабильных ядер нейтронами (либо протонами и другими видами излучений) реализуется процесс получения радиоактивных ядер. Данный процесс называется активацией.

Число активированных ядер (без учета их распада) зависит от количества атомов в мишени, времени облучения и эффективного сечения данной ядерной реакции. Если слой вещества, содержащий n ядер на 1 см², пересекает поток _n нейтронов в единицу времени, то число актов взаимодействия, вызванных ими, определяется дифференциальным и интегральным уравнениями:

(3.3)

где  - эффективное сечение захвата нейтрона с образованием радиоактивного ядра. Чтобы найти число активных ядер N в момент времени t после начала облучения, необходимо учесть, что часть образовавшихся ядер за время t распадается. Процесс распада активных ядер задается дифференциальным и интегральным уравнениями:

(3.4)

где  - постоянная распада данного радионуклида, N₀ - число радиоактивных ядер в момент времени распада t = 0, Т_1/2 – период полураспада данного радионуклида,  - среднее время жизни радиоактивного ядра.

Тогда, одновременный процесс накопления и распада активных ядер за время t облучения будет определяться суммарным дифференциальным уравнением

(3.5)

Решением данного выражения является уравнение активации, определяющее число активных ядер

(3.6)

либо активность

(3.7)

за время облучения. Здесь произведения - число активных ядер в состоянии насыщения и - активность насыщения. Насыщение активации – это состояние когда рост числа активных ядер прекращается за счет того, что число образующихся активных ядер оказывается равным числу распадающихся. График зависимости накопления радиоактивных ядер показан на рис.3.1 (T – период полураспада).

Анализ (3.6) показывает, что число активных ядер будет максимальным и равным N_нас при условии, когда сомножитель будет стремиться к единице, т.е. время облучения должно быть t T_1/2. Данное условие реализуется за время облучения, соответствующее 10T_1/2 образующегося радионуклида. Стоит отметить, что 95% уровень насыщения достигается за время облучения, равное 5T_1/2, что удобно использовать на практике для изучения закономерностей активации и распада радионуклидов и уменьшения временных затрат на облучение. Аналогичные утверждения справедливы и для активности, определяемой по (3.7).

При малых временах облучения t << T_1/2 распадом можно пренебречь и в начальный момент облучения число активных ядер будет нарастать линейно со временем согласно уравнениям (3.3).

Рис. 3.1. Кривая активации (T – период полураспада)

Рассмотрим ядерно-физические процессы, имеющие место при облучении серебра тепловыми нейтронами. Поскольку в состав серебра входят два стабильных изотопа практически с одинаковым процентным содержанием (51,82%) и (48,18%), захват нейтронов приводит к образованию двух изотопов серебра одновременно и по следующим схемам ядерных реакций:

(3.7)

Образующиеся радионуклиды являются ^– активными и распадаются согласно реакциям

(3.8)

В результате распадов с периодами полураспада Т_1/2 = 2,4 минуты ( ) и Т_1/2 = 24,2 секунды ( ) образуются стабильные изотопы кадмия и .

Непосредственно в опыте с точностью до постоянного множителя измеряется  - активность изотопов и , которая связана с числом распадающихся частиц в единицу времени атомов серебра соотношением

. (3.9)

Кривая распада изотопов серебра представляет сумму двух экспоненциальных функций интенсивностей распада:

(3.10)

где и - интенсивность распада обоих изотопов в начальный момент времени (t = 0), ₁ и ₂ – постоянные распада изотопов и соответственно.

Построение этой кривой в полулогарифмическом масштабе (рис.3.2) позволяет представить её двумя прямыми линиями, описывающими изменение во времени активности изотопов. Тангенсы углов ₁ и ₂ наклона этих прямых определяют постоянные распада ₁ и ₂ (tg₁ = ₁, tg₂ = ₂).

Рис. 3.2. Изменение во времени активности источника, содержащего два взаимно несвязанных радионуклида

Порядок выполнения работы

Перед выполнением работы необходимо составить и представить на утверждение преподавателю план работы. План работы должен содержать обоснованные расчетные времена продолжительности облучения (t_обл), выдержки после облучения (t_выд), снятия одной точки (t_изм) кривой распада (активации), полного распада (t_расп) радионуклидов для всех этапов лабораторной работы.

В данной работе для активации изотопов серебра используется плутоний - бериллиевый (Pu-Be) источник нейтронов, который имеет сплошной энергетический спектр частиц с энергиями от 0 до 10 МэВ, и генерирует тепловые, промежуточные и быстрые нейтроны. Наличие тепловых нейтронов позволяет использовать данный источник для облучения без замедлителя нейтронов.

Серебряная пластинка размером 50х25х1 мм закрывается в специальный контейнер, после чего помещается лаборантом или преподавателем в камеру облучения. По истечении времени облучения контейнер с пластинкой извлекается из камеры облучения, активированная пластинка серебра перемещается из контейнера в измерительную установку.

Наведенная -активность измеряется при помощи пропорционального счётчика на установке с малым фоном (УМФ-1500). Установка позволяет фиксировать положение пластинки относительно входного окна счётчика. Процесс измерения кривых распада автоматизирован. Информация автоматически записывается в файл.

До снятия кривых распада необходимо измерить скорость счета фона и серебряной пластинки и убедиться, что пластинка не содержит остаточной активности от предыдущих облучений, т.е. скорости счета должны быть равны в пределах погрешности измерений. При обработке экспериментальных данных учесть фон и определить экспериментальные ошибки величин I₀, I, t и зависимых величин  = f (I₀, I, t) и Т_1/2 = f (I₀, I, t).