Глава 2 Описание эксперимента

1. Описание эксперимента с водной защитой

Ключевым узлом установки является система, состоящая из четырех жидко сцинтилляционных детекторов типа EJ 309 фирмы Scionix, расстояние между которыми составляет 300 мм. Между ними помещается бак наполненный водой (рис.8). В воду опускается источник ²⁵²Сf, закрепленный на половине высоты бака. Принципиально важно, чтобы калифорний находился в геометрическом центре системы на одинаковом удалении от каждого из четырех детекторов. Эксперимент проводился для четырех толщин водной защиты: 138 мм, 97 мм, 58 мм, 32 мм.

Рис. 8. Установка счета совпадений частиц с источником ²⁵²Cf, окруженным водной защитой

Измерения включают в себя три этапа:

• измерение фона в зале, где находится установка;

• измерение скорости счета совпадений частиц деления ²⁵²Cf без защиты;

• измерение скорости счета совпадений частиц деления ²⁵²Cf, помещенного в бак с водой.

Водород является хорошим замедлителем нейтронов и является главным составляющим в большинстве материалов, применяемых для нейтронных защит. Ядро атома водорода имеет с хорошей степенью точности такую же массу, как и нейтрон, поэтому при каждом акте упругого рассеяния на ядре водорода нейтрон теряет примерно половину первоначальной энергии. Вода часто встречающийся материал радиационной защиты, имеющий высокую ядерную плотность водорода.

Акт деления ядра сопровождается испусканием 7-8 коррелированных по времени гамма - квантов со средней энергией 1 МэВ и 2÷3 нейтронов со средней энергией 2 МэВ. Прежде чем детектор зарегистрирует эти частицы, им предстоит пройти водяную толщу.

Толщина слоя водородосодержащей защиты, ослабляющей гамма-излучение с энергией 0,5МэВ в 10 раз, составляет 24 см. Проникающая способность фотонов увеличивается с ростом их энергии и уменьшается с увеличением плотности вещества-поглотителя. Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения с энергией 1 МэВ равен 0,07, что в 10 раз меньше значения этой же величины для свинца.

Быстрые нейтроны при каждом соударении с легким ядром будут терять часть своей энергии. В обычной воде для замедления до тепловой энергии им необходимо в среднем 19 соударений. Из-за повышенного захвата тепловых нейтронов в водороде их количество, зарегистрированное детектором, будет значительно сокращаться с увеличением толщины слоя воды.

2. Описание эксперимента с изменением толщины свинцовой защиты

В данном эксперименте (рис.9) в системе происходит увеличение слоя свинцовой защиты при помощи блоков толщиной 50 мм. Опыт проделан для трех толщин: 50 мм, 100 мм, 150 мм. Источник ²⁵²Сf также помещается в геометрическом центре системы на равном удалении от каждого из четырех сцинтилляторов. Слой свинца 150 мм ослабляет фотонное излучение в 100000 раз, а толщина 100 мм ослабляет излучение в 1000 раз. Линейный коэффициент ослабления фотонов в этой среде в десять раз выше, чем в воде (около 0,79). Несмотря на то, что гамма - кванты должны полностью поглотиться в материале защиты, детектор все равно их регистрирует. Однако эти фотоны имеют совсем другую природу. Быстрые нейтроны, пролетевшие сквозь свинец, попадают в сцинтиллятор, где теряют энергию на легких ядрах материала сцинтиллятора, и становятся тепловыми. Радиационный захват теплового нейтрона ядром атома водорода сопровождается испусканием гамма – кванта с энергией 2,23 МэВ, который и фиксируется детектором. Однако этот фотон не коррелированный и не будет включен в счет совпадений.

Рис. 9. Установка счета совпадений с ²⁵²Cf источником, помещенным в свинцовую защиту.

3. Выводы

Вторая глава содержит описание физической сути эксперимента по измерению скоростей счета совпадений частиц деления за слоем воды и свинца. Рассмотрена компоновка защитных материалов.

Описаны особенности взаимодействия нейтронов деления с атомами водородосодержащей и свинцовой защиты. Быстрые нейтроны будут замедляться в воде и станут тепловыми. Значительная их часть будет захватываться на водороде. С увеличением размеров бака детектор будет регистрировать все меньше нейтронов деления. Использование защиты из свинца будет постепенно снижать количество регистрируемых нейтронов.

Описано взаимодействие гамма-излучения с водой и свинцом. Толщина слоя воды, которая ослабит поток гамма - квантов деления в 10 раз, значительно превосходит размеры самого большого из использованных в эксперименте баков (для фотона с энергией 0,5 МэВ составляет 240 мм). Линейный коэффициент ослабления гамма - излучения в свинце в 10 раз превосходит это же значения для водной защиты. Толщина свинца в 10 мм ослабит поток фотонов в 2 раза.