Шпоры

28.2

где введены функции для улучшения применимости формулы: kn – весовая функция, компенсирующая уменьшение амплитуды при возрастании длиныволнового вектора k; W(k) – модифицирующая функция, плавно приводящая к нулю экспериментальные данные при значениях, соответствующих минимальному и максимальному значениям длины волнового вектора kmin и kмах

Положения максимумов φ(r) соответствуют межатомным расстояниям. Ещё функция φ(r) содержит информацию о координационных числах и среднеквадратичных смещениях атомов от среднего значения расстояния между ними.

теоретически нормализованный EXAFS-сигнал

Суммирование по всем коорд.сферам j; fj(k,π) – вероятность рассеяния фотоэлектрона с волновым вектором k на сфере j на угол π; синусинтерференционный член, где 2krj-разность фаз от пролета электрона до соседнего атома и обратно, φj –разность фаз из-за того что фотоэлектрон двигается в элполе соседних атомов; первая экспонента-учитывает сркв. отклонение атомов от равновесных положений, втораявозможность электрона столкнуться с кем-нибудь,что нарушит когеретность и интерференции не будет.

EXAFS-спектрометр Монохроматор:

двухкристальный

Si(111), Si(220)

Детекторы :

Ионизационный газонаполненный счетчик Фотодиод

Основные режимы

•На пропускание

•По выходу флуоресценции (разбавленные образцы)

Средняя энергия нейтронов на этом спектре~ 2 МэВ.(не медленные)

Для того чтобы в реакторе шла самоподдерживающаяся ядерная реакция, необходимо уменьшить радиационный захват нейтронов ядрами.

Так как сечение радиационного захвата падает до приемлемых величин при энергиях нейтронов меньше эВ, то нейтроны замедляют в материале замедлителя( графит или вода). Теряя энергию в столкновении с ядрами атомов замедлителя, нейтроны приближаются к состоянию теплового равновесия с замедлителем – термализуются (поэтому реакторы такого типа называются реакторами на тепловых нейтронах).

Энергетический спектр медленных нейтронов, выходящих из реактора на тепловых нейтронах при температуре замедлителя 400 К,(нормирован на максимальное значение).

Плотность потока тепловых нейтронов в центре активной зоны у современных мощных реакторов составляет

1014-1015 нейтрон/с см2.

Наиболее вероятная (Маквселл) энергия нейтронов kBTn /2, а средняя энергия 3kBTn /2.

За тепловую энергию принимается энергия, соответствующая наиболее вероятной скорости. Эта энергия равна kBTn. Так называемым стандартным тепловым нейтронам соответствует температура Tn = 293 К, и их энергия kBTn = ЕТ = 0,025 эВ. Тепловые нейтроны имеют скорость

220 000 см/с (2,2 км/с)и длину волны 1,809 Å.

частью активной зоны.

Частота повторения импульсов от 8 до 80 имп/с, длительность импульса 40 мкс, средний выход нейтронов 4,5 1013 нейтрон/с.

источников нейтронов[29.2].

Модулированный во времени пучок ускоренных до энергии десятки МэВ электронов направляется на мишень из тяжелого элемента (свинец, висмут, уран). Возникающее в мишени тормозное излучение попадает в область гигантского

резонанса реакции (γ, n).

[Фотоядерная реакция — ядерная реакция, происходящая при поглощении гамма-квантов ядрами атомов.Явление испускания ядрами нуклонов при этой реакции называется ядерным фотоэффектом]

получается модулированный во времени (обычно с частотой 50 или 100 Гц) нейтронный пучок с длительностью импульса порядка 0,1 мкс.

ионизированных или возбужденных частиц, которые регистрируют большинство детекторов.

Поэтому детекторы нейтронов содержат вещество – конвертор, при взаимодействии с ядрами которого нейтроны порождают заряженные частицы или γ-кванты.

Детекторы на основе изотопа 10В. Принцип действия основан на ядерной реакции

Газонаполненные: борные ионизационные камеры и борные пропорциональные счетчики. Рабочий газ -трифторид бора BF3, обогащенный изотопом 10В до 96%.

Образовавшиеся в результате ядерной реакции α-частицы и ядра 7Li ионизуют рабочий газ и дальнейший процесс аналогичен рентгеновскому газонаполненому счетчику [18.1]

Некоторые из α-частиц и ядер 7Li, образованные вблизи стенок детектора, могут покинуть его чувствительный объем, не передав свою кинетическую энергию на ионизацию рабочего газа. В результате этого помимо основного максимума появляется некоторое количество импульсов с меньшей амплитудой; эти небольшие импульсы обусловлены

электронами, возникающими в стенках счетчика при прохождении γ-квантов.

Различить импульсы от регистрации нейтронов и γ-квантов можно с помощью порогового дискриминатора[18.3].

Эффективность регистрации[18.1] параллельного пучка нейтронов, падающего на торцевую поверхность газонаполненного борного счетчика параллельно его оси

ε =1−exp(−1,7 10−2 pl / E ) где р – давление газа в счетчике, 105 Па (~ 1 атм); l – длина рабочего объема счетчика, см; Е – энергия нейтронов, эВ.

При р = 105 Па и l = 20 см эффективность для нейтронов Е = 0,025 эВ составит 0,9 при Е = 100 эВ - всего 0,03.

→газонаполненный борный счетчик эффективен для регистрации медленных нейтронов. Кроме газонаполненных BF3-счетчиков для регистрации тепловых нейтронов применяются коронные счетчики с твердым покрытием из борсодержащего вещества толщиной 0,8-1,0 мг/см2 на на внутренней стенке цилиндра.

Коэффициент газового усилениях[18.2] этих счетчиков в 10 раз больше, чем у пропорциональных счетчиков.

детекторы широко применяются при регистрации тепловых нейтронов.

сечение ядерной реакции 3Не(n,p)Т достигает большого значения для тепловых нейтронов (≈ 5,4 10-21 см2), и эффективность регистрации таких детекторов может достигать 100%.

Конструктивно гелиевые счетчики, как и газовые борные, выполняются в виде цилиндрических конденсаторов, центральным электродом которых является анод из вольфрамовой нити толщиной 50-100 мкм.

Корпус (катод) изготовляется из нержавеющей стали. В зависимости от типа счетчика он заполняется смесью из Ar и 3Не, в которой содержание 3Не колеблется от 70 до 95%. При осуществлении реакции 3Не(n,p)Т, в результате которой выделяется 764 кэВ в виде кинетической энергии 3H и р, внутри чувствительного объема детектора происходит ионизация газа, вызванная продуктами этой реакции и, как следствие, на аноде появляется электрический импульс.

Гелиевые детекторы могут работать в зависимости от подаваемого на них напряжения и давления газовой смеси (0,4 – 1,2 МПа) как в области пропорциональности, так и в области коронного разряда[18.2].

Эффективность регистрации нейтронов с энергией 0,025 эВ составляет 59%. Ширина пика на полувысоте в амплитудном распределении 5%. При регистрации нейтронов импульсы с амплитудой меньше 0,25А0 (А0 – амплитуда, соответствующая максимуму в распределении) практически отсутствуют.

Собственный разброс времен срабатывания счетчика 0,85 мкс.

Конвертор[31.1] – сцинтилляционные[19.1] монокристаллы иодистого лития, активированного европием – 6LiI(Eu).

В сцинтилляторе, облучаемом тепловыми нейтронами, возникают световые импульсы [19.2]. Т.к. световой выход для тяжелых частиц в сцинтилляторе ниже, чем для электронов, то суммарная амплитуда импульса 3H и 4He соответствует амплитудам для электронов с энергией 4,1 МэВ. Это – т. н. γ-эквивалент 6Li(Eu) при регистрации им медленных нейтронов.

Регистрация световых квантов аналогична используемой в сцинтилляционных счетчиках рентгеновского излучения[19.1] Разрешающее время сцинтилляционного детектора составляет около 1 мкс [20].

Эффективность регистрации[18.1] нейтронов зависит от размера монокристалла.

Для улучшения амплитудного разрешения кристалл обычно охлаждают до температуры жидкого азота.

Для регистрации нейтронов используют также сцинтилляционные дисперсные детекторы, содержащие бор. В таких детекторах бор входит в светосостав Т-1, состоящий из люминофора ZnS(Ag) и В2О3 обогащенным изотопом 10В [31.1]

Эти детекторы малочувствительны к γ-квантам, эффективность к которым составляет 10-5. Частицы ZnS(Ag) малы (1 мкм), а концентрация В2О3 в Т-1 составляет 40-70%. Поэтому

α-частицы, возникающие при (n,α) реакции, пронизывают четыре – шесть зерен ZnS(Ag), и

вероятность того, что α-частица создает малую сцинтилляцию (прохождение одного зерна)

или совсем не попадает в зерно, мала. →введение Т-1 улучшает характеристики детектора.

сцинтилляционные алюмо-магниевые-силикатные литиевые стекла, активированные церием.(эффективны для медленных нейтронов)

преимущества: негигроскопичность(не поглощает влагу) и стойкость к воздействию атмосферных факторов. Детекторы из них можно изготовить любой формы. Постоянная времени высвечивания 60 нс

Сравнительные характеристики сцинтилляторов для измерения тепловых нейтронов

33.1 Механические монохроматоры нейтронов.

спектр нейтронного потока из реактора на медленных нейтронах [29]

монохроматизация пучка- выделение из энергетического спектра нейтронов с заданной энергией,

– пролетной базы.

Прерыватель нейтронного пучка -

вращающейся с ω стальной цилиндр с прорезью (ротор), заполненный кадмием.

Кадмий имеет большое сечение радиационного захвата медленных нейтронов (2 520 барн), и через прерыватель нейтронный пучок будет проходить только, когда щель параллельна оси пучка.

тепловые нейтроны нерелятивистские,

и время пролета нейтрона со скоростью v через щель будет t1 = 2R/v. Это время должно быть меньше времени поворота цилиндра на удвоенную высоту щели

t2 = (2h/R)/ω = 2h/Rω. → 2R/v ≤ 2h/Rω

такой прерыватель пропустит только нейтроны со скоростям большими, чемvmin = ωR2/h, Он обрезает нейтронный спектр до энергий меньших Emin = mnω2R4/2h2.

Оценка: нейтроны v = 2,2 105см/с, при R = 25см и h = 0,5см → ω= 1,76 102 рад/с = 1800об/мин.

механическим селектор нейтронов.

Если поставить второй прерыватель на расстоянии l от первого, то время пролета нейтрона с энергией E до второго прерывателя будет равно t = l/v = l/(2E/mn)1/2.

у второго щель развернута на α, и через него пройдут те нейтроны, скорость которых

удовлетворяет т.е. с энергией

Меняя α, можно выделить пучок монохроматических нейтронов разной энергии.

Степень немонохроматичности ∆Е/Е или разрешение селектора по энергии.

Энергия нейтронов, на которую настроен селектор, связана со временем пролета расстояния

Оценка: если селектор настроен на Е = 0,025эВ.при l = 1м, f = 104об/мин и R = 25см и h = 0,5см будет ∆Е/Е = 1,33 10-4

Если уменьшать скорость вращения для уменьшения Еmin, то при этом будет уменьшаться разрешение по энергии. Увеличивать длину пролетной базы до больших значений невыгодно, так как при этом интенсивность нейтронного пучка спадает обратно пропорциональноl3. Поэтому используют механические селекторы, состоящие из трех, четырех последовательно расположенных и синхронизованных роторов, что позволяет уменьшить величину ∆Е/Е при минимальной суммарной длине пролета. или вот так

Если источником нейтронов импульсный реактор или ускоритель электронов, то для монохроматизации пучка достаточно использовать один ротор.

его частота вращения должна быть кратна частоте повторения нейтронных импульсов и в момент появления нейтронов угол между щелью и осью пучка, ограниченного коллиматором, определяется из выражения E = 2mnπ2f2l2/α2, в котором l – расстояние от места рождения нейтрона до ротора.

Механические селекторы нейтронов сложны в изготовлении, требуют тщательной статической и динамической балансировки, так как скорости вращения роторов достигают 15 000 – 30 000 оборотов в минуту.

одинаковыми значениями энергии из общего пучка нейтронов с непрерывным спектром за счет дифракционного брэгговского отражения[24] нейтронов определенной длины волны λ от семейства атомных плоскостей монокристалла.

Если на плоскую поверхность монокристалла, параллельную одной из систем атомных плоскостей с межплоскостным расстоянием d, падает пучок нейтронов сплошного спектра под углом θ, то под равным ему углом от поверхности отражается пучок, в котором оказываются только те нейтроны, для которых выполняется условие Брэгга-Вульфа

сдлинами волн λm = (2dsinθ)/m.

Вкристалле любой системы есть максимальное межплоскостное расстояние dmax, и для конкретного кристалла-монохроматора есть граничная длина нейтронной волны λгр = 2dmax, выше которой дифракционный максимум невозможен при любыхθ. Этой длине волны соответствует граничная энергия нейтронов

отражение нейтронов происходит и от другой системы атомных плоскостей, со своим d, но при другом угле θ.

Поэтому при фиксированном расположении коллиматоров, нейтроны, отраженные от таких плоскостей в выходной коллиматор не попадут.

Таким образом, отраженные нейтроны образуют несколько отдельных монохроматических групп, соответствующих отражениям различных порядков.

Отражение m = 1 существенно сильнее отражений более высоких порядков, тк интенсивность отражения изменяется с увеличением энергии нейтронов по закону 1/Е, а так как Em ~ m2, то интенсивность отражения m-го порядка в m2 меньше интенсивности отражения m=1.

Кроме того, отражения высших порядков можно дополнительно уменьшить выбором соответствующего кристаллического соединения, у которого ядра элементов, входящих в его состав рассеивают нейтроны с противоположными фазами.

Например, кристалл LiF (решетка типа NaCl) в системе плоскостей {111} имеет поочередно или только ионы Li+ или только F-. Фазы нейтронной волны, рассеянной Li и F, противоположны, поэтому отражение во втором порядке от этой системы плоскостей дает практически нулевую интенсивность. То же будет со всеми четными порядками отражения.