Правила роботи з радіоактивними джерелами та високовольтним обладнанням

Радіоактивні джерела для роботи видаються студентам тільки на час проведення дослідів під розписку, про що робиться відмітка у спеціальному журналі. Студенти несуть особисту відповідальність за збереження і правильне використання радіоактивного джерела. У роботі використовується Pu-α-Be нейтронне джерело у парафіновому сповільнювачі – захисті. На поверхні захисту джерела контрольний рівень випромінювання не перевищує 5 - 10 мкР/с. Нейтронне джерело не можна виймати з захисту. На лічильник Гейгера–Мюллера подається робоча напруга 400-500 В чи 800-1200 В.

Можливі аварійні ситуації: несанкціоноване витягнення джерела з захисту (приводить до підвищення рівня радіації у лабораторії у 10–100 разів вище допустимих норм), виникнення пожежі, пошкодження заземлення, пошкодження ізоляції проводів.

Категорично заборонено: виймати джерело нейтронів з захисту, вимикати кабель живлення детектора від увімкненого високовольтного блока.

Мета і завдання роботи

Ознайомитись з основними характеристиками ядерних реакцій, зокрема, реакцій під дією нейтронів, характеристиками найбільш поширених джерел нейтронів. Ознайомитися з рівнянням активації та активаційною методикою проведення вимірювання ефективного перерізу ядерної реакції відносним методом. Експериментально визначити ефективний переріз реакції ²⁷Al(n,)²⁸V відносним методом.

Необхідні прилади і матеріали

Установка, яка складається з лічильника Гейгера–Мюллера в захисному свинцевому екрані, високовольтного блоку живлення для лічильника та лічильного пристрою. Лічильний пристрій і високовольтний блок можуть бути об’єднані в одному приладі. Джерело нейтронів знаходиться у парафіновому сповільнювачі та захисті від нейтронів. Зразки V₂O₅ та металевого алюмінію відомих розмірів і ваги.

Теоретичні відомості

1. Ядерні реакції. Основні характеристики ядерних реакцій

Ядерна реакція – це процес перебудови атомного ядра під впливом γ–кванта або зарядженої чи нейтральної частинки що супроводжується утворенням нового ядра і нової частинки чи γ–кванта. Такий процес починається з зіткнення атомного ядра A з частинкою a (протоном, нейтроном, γ–квантом.), який призводить до утворення нового атомного ядра B і частинки b (протон, нейтрон, -квант.) Новоутворене ядро може бути як стабільними, так і радіоактивним.

У загальному випадку для позначення ядерної реакції використовують наступні символічні записи:

A+a → B+b, або A(a,b)B. (1)

Ядерні реакції прийнято ділити на типи у залежності від того, під дією якої частинки вона починається і випромінюванням якої частинки закінчується. Наприклад (α,p), (α,n), (p,α), (n,γ), (γ,n). Якщо реакція починається під дією, наприклад, нейтрона і випромінюється також нейтрон, але кінцеве ядро знаходиться у збудженому стані, то такий процес називають реакцією непружнього розсіювання, у такому випадку запис має такий вигляд: A(n,n’)A^*.

Першу ядерну реакцію здійснено Резерфордом, коли він спостерігав випромінювання протонів при опромінені ядер азоту альфа–частинками і перетворення ядра азоту у ядро кисню.

¹⁴N+⁴He → ¹⁷O+¹H або ¹⁴N (α,p) ¹⁷O. (2)

Основні характеристики ядерних реакцій: ефективний поперечний переріз – σ, вихід реакції – Y, енергія реакції – E_р, функція збудження – σ(Е_ч).

Ефективний поперечний переріз σ – визначає імовірність певного перетворення (акту певної ядерної реакції) за 1 с, якщо ядро опромінюється потоком частинок щільністю 1 частинка за 1 секунду на 1 м². Ефективний переріз має розмірність площі [м²]. Позасистемна одиниця барн дорівнює 10^-28 м².

Число актів ядерної реакції dN, які відбулися за проміжок часу dt у зразку (мішені), який містить n досліджуваних ядер, внаслідок реакції з ефективним поперечним перерізом σ, при опроміненні зразка нейтронами з густиною ( щільністю) потоку φ можемо знайти з виразу:

dN = σ·n·φ·dt. (3)

Інтегруючи вираз (3) одержимо, що на протязі часу опромінення t_o у зразку утвориться N(t_o) кінцевих ядер (продукт реакції):

N(t_o) = σ·n·φ·t_o. (4)

Слід зауважити, що вирази (3) і (4) справедливі тільки у випадку коли маємо потік нейтронів чи інших частинок однієї енергії (монохроматичні частинки) та кінцеве ядро не є радіоактивним. Вираз (4) може бути використаний для розрахунку, наприклад, ефективного перерізу, якщо інші величини нам відомі.

Вихід реакції Y(E_ч) – відношення числа актів реакції у мішені, що містить певну кількість ядер n на 1 м², до числа частинок з енергією E_ч, що попали на мішень. Наближено Y(E_ч) = σ·n.

Функція збудження σ(Е_ч) – залежність величини ефективного перерізу реакції від енергії збуджуючої частинки.

Енергія реакції Е_р – різниця між енергією спокою ядра і налітаючої частинки (М_А+М_a)·c² та енергією спокою продуктів реакції (М_B+М_b)·c²:

E_р=(М_А+М_a)·c² - (М_B+М_b)·c². (5)

Якщо E_р>0 реакція супроводжується виділенням енергії і називається екзоенергетичною (екзотермічною), якщо E_р <0 реакція ендоенергетична (ендотермічна) і може протікати тільки у випадку, коли енергія налітаючих частинок перевищує так звану енергію порогу.

Екзотермічні реакції можуть відбуватись при яких завгодно малих енергіях налітаючих частинок. Наприклад, реакції типу (n,γ) можуть відбуватись з великою імовірністю при енергіях нейтронів 0.001 еВ і менше. Внаслідок такої реакцій енергія виділяється у вигляді гамма–кванта. Імовірність протікання такої реакції для деяких хімічних елементів дуже велика при маленьких енергіях нейтронів ≈ 0,002 еВ, наприклад для кадмію: 2910 барн і зменшується на 2 порядки з зростанням енергії нейтронів до 1 еВ, а при збільшені енергії нейтронів до 1 МеВ переріз спадає до 3 - 4 барн.

Для ендотермічної реакції енергія порогу наближено дорівнює величині E_р. Такого типу реакція може відбуватися у випадку опромінення ядер швидкими нейтронами з енергією більше 0.1 МеВ. До екзотермічних реакцій можемо віднести реакції (n,2n), (n,p), (n,pn).