4. Замедление нейтронов.

Рассмотрим процесс замедления нейтронов. Для простоты в качестве замедляющей среды будем использовать водород (вода). Связь между энергией первичного нейтрона Е₀ и его импульса Р₀, с энергией протона отдачи Е_р и энергией рассеянного на ядре атома среды нейтрона Е_n легко найти из законов сохранения энергии и импульса.

(6.5)

Из эксперимента известно, что дифференциальное сечение рассеяния нейтронов на протонах вплоть до энергий 25 МэВ изотропно, т.е. . Откуда следует, что в энергетическом распределении (спектре) рассеянных нейтронов с начальной энергией Е₀ все энергии равновероятны от 0 до Е₀.

После второго соударения в интервал dE’ будут давать вклад нейтроны с энергией E>E’. Вероятность однократно рассеянного нейтрона иметь энергию в интервале от 0 до Е₀ равна 1, т. е.

.

Так как f₁(E) не зависит от энергии, то f₁(E)=1/E₀.

Спектры нейтронов, испытавших два акта рассеяния будут

.

Чтобы получить распределение после третьего столкновения, рассмотрим зависимость f₂(E), предварительно разбив её на узкие полоски шириной dE’ с энергией E’. Число нейтронов в такой полоске будет . После третьего столкновения вклад в область dE’ будут давать нейтроны с энергией EE’ и доля этого вклада будет dN₂(E)/E. Тогда суммарный вклад будет определяться интегралом:

dN₃(E)=f₃(E)dE= . Откуда . После четвёртого столкновения, используя те же соображения, получаем: .

После n-го столкновения .

Величина - называется летаргией нейтронов.

Какова средняя энергия нейтронов после n-го столкновения: . Найдём среднее число соударений необходимых для замедления нейтронов от энергии Е₀ до некоторой заданной энергии Е.

(6.6)

Для примера сосчитаем среднее число соударений, необходимых для замедления нейтронов с энергией 1 МэВ до тепловой точки Е_Т=0,025эВ для чистой водородной среды

Если среда состоит из атомов более тяжёлых, чем атом водорода , то среднее число соударений, приводящее к замедлению нейтрона от энергии Е₀ до заданной энергии Е определяется несколько более сложным выражением:

,

где - среднелогарифмичекая потеря энергии при одном соударении.

Пример:

Лекция 7. Получение пучков заряженных частиц и методы их регистрации. Средства эксперимента.

1. Получение пучков частиц. Ускорители заряженных частиц.

1. Каскадный генератор

   Каскадный генератор – ускоритель прямого действия, т.е. частицы в нем ускоряются непосредственно за счет прохождения  высокой разности потенциалов. В каскадных генераторах высокое постоянное напряжение получают из низкого переменного напряжения c помощью умножителей напряжения, которые также называются каскадными генераторами.

   Первый каскадный генератор (ускоритель) на энергию 700 кэВ - был создан в 1931 г. в Англии Дж. Кокрофтом и Э Уолтоном.

2. Первым ускорителем, получившим практическое применение в ядерной физике (начиная с 30-х годов) явился электростатический генератор Ван-де-Граафа (1901-1967). Принцип работы этого генератора состоит в следующем. Из внутренней области полого металлического шара, заряжаемого до очень высокого потенциала, выходит многосекционная ускорительная вакуумная трубка, в которой и происходит ускорение заряженных частиц. При работе генератора повышение напряжения на ускорительной трубке происходит за счет транспортировки заряда из внешней области внутрь полого шара (кондуктора). Достижимый верхний предел напряжения на трубке ограничен напряжением пробоя между кондуктором и окружающими предметами. Обычные генераторы Ван-де-Граафа позволяют получать энергию до 2-5 МэВ.

Простым приемом эффективное напряжение генератор Ван-де-Граафа удается повысить в два раза. Для этого используется принцип перезарядки, когда применяются две ускорительные трубки, расположенные одна на продолжении другой. Высоковольтный электрод (кондуктор) помещается между ними (см. рис. 7.1).

У скоряющая система состоит из: источника ионов, верхней и нижней ускорительных трубок, перезарядной мишени внутри кондуктора, индукционного зарядного устройства и анализирующего (раздаточного) магнита.

Габаритные размеры котла:

диаметр 3 м

высота 11.5м

Диаметр кондуктора 1.Зм

Рисунок 7.1. Схематическое изображение ускорителя ЭГП-10

На верхнем конце первичной трубки располагается источник ионов, на нижнем конце второй трубки находится выпускное отверстие. Достоинство такой схемы состоит также в том, что источник находится под потенциалом земли, также как и выпускное отверстие. Из источника должны выходить отрицательные ионы, т.е. частицы, содержащие избыток электронов. Отрицательные ионы направляются к положительному высоковольтному электроду и ускоряются до определенного потенциала. В конце первого этапа ускорения они пронизывают углеродную фольгу, которая их «обдирает», т.е. лишает валентных электронов. После этого отрицательный ион превращается в положительный и продолжает движение в том же направлении под действием того же потенциала. Ускоритель, работающий по описанному выше принципу, называется перезарядным ускорителем или тандем-генератором. Усовершенствованный ускоритель Ван-де-Граафа позволяет получать энергию ускоренных однозарядных ионов водорода до 15-20 МэВ.

Ускорители этого типа являются надёжными «рабочими лошадками» при исследовании структуры атомных ядер, обеспечивая высокую монохроматичность пучка 10 кэВ.