Электроника Методы восстановления спектров нейтронов в спектрометрах по протонам отдачи

Метод дифференцирования как первое приближение, не учитывающее многократное рассеяние, углерод, краевые эффекты, а только нелинейность

V(E_p) = cP(E_p) dV(E_p)/dE_p = c dP(E_p)/dE_p

U(V) = cN(E_p)(dE_p/dV)

Для нахождения производной от экспериментальной функции – амплитудного распределения импульсов U(V) с минимальной ошибкой применяют математическое сглаживание. Отклонения от идеальной формы можно учесть с помощью корректирующей матрицы.

Погрешности: 1- статистика, 2 – световыход, 3 – эффективность. 4 – функция отклика, 5 – градуировка. Систематические погрешности < 4-7%. При измерении непрерывных спектров сцинтиллятором оптимальных размеров можно достичь 3%.

Энергетическое разрешение.

Для спектрометров полуклас­сического типа разрешение можно определить как ширину пика в энергетическом спектре от монолинии после применения проце­дуры обработки аппаратурного распределения (в данном слу­чае - дифференцирования).

Разрешение в диапазоне энергий от 0,1 до 20 МэВ хорошо описы­вается зависимостью (условность h(E) )

Коэффициент А зависит от качества, размеров кристал­ла, иногда - от собственного разрешения ФЭУ. С увеличением размеров сцинтиллятора значение А увеличивается, изменяясь от 10 до 20 в диапазоне размеров сцинтиллятора (цилиндри­ческого) от 10 х 10 до 70 х 70.

Методы градуировки

Функция световыхода Р(E) определяет связь между энергией падающих нейтронов и амплитудой на выходе спектрометрического уси­лителя в шкале энергий электронов или относительных единицах с помощью источников гамма-квантов

Метод времени пролета

Зачем:

• Измерение сечений по пропусканию и дважды дифференциальных сечений на медленных нейтронах,

• физика твердого тела и жидкостей

Основные соотношения:

v = l/t, E = mv²/2 = ml²/2t²; dt/dE µ t³; N(E) = N(t)×dt/dE = const N(t)×t³

Если t – мкс, l –м, E – эВ  E = 52l²/t², t = 72E^-1/2 , v = 1,410⁴E^1/2

Измеряется время пролета t и известна пролётная база l

N(t)dt = N(E)dE ; N(E) = 10^-4t³N(t) ; N(E) = e(E)F(E)

*

Энергетическое разрешение.

h = 2,78 E^1/2(Dt/l)%, (Dt)² ³ (Dt_всп )² + (Dt_детек)²

Реактор и механический селектор. Тепловые нейтроны из реактора.

Y = h + 2Rwt при t < 0 Y = h - 2Rwt при t > 0 ( t =0 при соосности )

v ³ v_гр =wR²/h; b = v_гр/v ; t(b) - функция пропускания

Если щели изогнуть – то монохроматор. Основной недостаток – малая часть нейтронов используется. Для быстрых нейтронов ротора с большим поглощением не создать

Детекторы.

Длительность вспышки 10 –100 мкс нужно высокое временное разрешение и эффективность BF₃, ³He – счетчики, сцинтиллятор с ⁶Li

Для замедления в полиэтилене.

Конечная энергия эВ	1	102	103
Время замедл. мкс	1	0.1	0.01

На тепловых нейтронах:

^10B_n, = 3,810³ барн, ^3He_n,p = 5,310³ барн, ^6Li_n, = 943 барна

Пример

R = 5 см, h = 1 мм n = 150 об/сек (9000 об/мин), l < 8 м (избежать рецикличности

п = 2n= 300 вспышек/с, Dt_всп=h/wR = 21 мкс.

v_гр ⁼ 2400 м/с, (0,03 эВ), 0,03 < E < 0,4 эВ.

Dt/l = 2,6 мкс/м, DЕ/Е = 1% при Е = 0,03 эВ и около 4,5% при Е = 0,4 эВ.

ИБР -2

Механическая модуляция реактивности с помощью подвижного отражателя (ПО). Подвижный отражатель является сложной механической системой, с общей массой до 60 т, обеспечивающей надежную работу двух частей, определяющих модуляцию реактивности: основной подвижный отражатель (ОПО) и дополнительный подвижный отражатель (ДПО). Роторы ОПО и ДПО вращаются в противоположных направлениях с разными скоростями. В момент совмещения обоих отражателей у зоны реактора генерируется импульс мощности.

Задача 6. При длительности вспышки 245 мкс оценить энергетическое разрешение расстоянии 1000 м от реактора для нейтронов с энергией 1эВ, 1кэВ и 1МэВ соответственно

Пригоден для медленных нейтронов, для промежуточных и быстрых – подсветка пучком электронов из ЛИУ.

Реально работают на гораздо более короткой базе с механическим селектором.

Принципиальные характеристики реактора ИБР-2
Максимальная тепловая мощность, МВт	2
Пиковая мощность в импульсе, МВт	1500
Частота импульсов, Гц	5
Полуширина быстрого нейтронного импульса, мксек	245
Теплоноситель	жидкий натрий
Тип топлива, масса	PuO2, 82.5кг
Плотность потока тепловых нейтронов с поверхности замедлителя: усредненная по времени максимум в импульсе	1013 н/см²•сек 1016 н/см²c

Example of a measurement of the ¹⁸¹Ta(n,γ) neutron capture reaction performed with a six times 351 segmented liquid scintillator detector located at the

60 m flight path using both the IBR-30 (lower panel) and IREN (upper panel) neutron source.

Метод ВП для быстрых нейтронов на ускорителях

Быстрые нейтроны из мишеней ускорителей – импульсные электростатические генераторы – ⁷Li(p,n)⁷Be (Q = -1,65МэВ), T(p,n)³He (Q = -0.764МэВ ), T(d,n)⁴He (Q = 17.59 МэВ ); лучше – изохронные циклотроны на 100 МэВ и реакцию ⁹Be(d,n)

( до ускорителя )

при E =4 кэВ, d = 1см, Dy = 0.2 см, T = 310^-7c, (n_вч = 3 МГц ), V₀ = 1кВ, l₁ = 4см, l₂ = 5 см Þ Dt = 3 10^-9с.

Для увеличения интенсивности – группировка пучка в процессе ускорения или сжатие с помощью магнитных полей.

Старт отклоняющим импульсом, от сцинтилляционного детектора заряженных частиц – D(d,n) ³He/

Регистрация нейтронов. При Dt_анал = 10^-9с нужны органические или газовые сцинтилляторы. При n_вч = 3 МГц вероятность регистрации за импульс << 1.

Расчёт эксперимента со стохастическим источником по измерению полного сечения МВП

Цель – измерение s_t(E) =S_t(E) по пропусканию в узком пучке F/F₀ = e^-Sx с образцом и без.

Желательный интервал энергий (см. рис.)

Цель оценок: A_max , h, N, (E_max-E_min)

Отсечка времени по спонтанному делению. Особенность вероятностный характер источника и по моменту деления и по числу нейтронов при делении.

²⁵²Cf (T_1/2 по делению = 85 лет, по альфа-распаду -2,68 года) n=3,8, c(E) =constE^1/2exp(- E_МэВ/1,5)  <E>  2,1 МэВ; Q_f = _FN_Am/A =

= 0.710⁶ дел/с×мкг, Q_n =2.310⁶н/с×мкг, Q_ = 22 /с×мкг.

Камера деления (КД)

Камера деления - это специальная модификация ионизационной камеры, предназначенная для регистрации нейтронов по осколкам деления, образующихся при реакции деления (n,f) на ядрах, делящихся как тепловыми, так и быстрыми нейтронами. На плоские электроды такой камеры наносят слой делящегося вещества толщина которого может быть как несколько больше, так и много меньше пробега осколков деления (порядка 6 мг/см²).

Для увеличения эффективности камеры деления желательно ввести в нее как можно больше делящегося вещества. С этой целью в камеру помещают несколько электродов, разделенных газовыми промежутками. Например, в стальном цилиндрическом корпусе на изоляторах укрепляют друг под другом диски из алюминия с нанесенным на них слоем делящегося вещества. Диски соединяют через один, в результате чего получают систему последовательных плоских ионизационных камер. Через вакуумные изоляторы к электродам камеры подводят высокое напряжение. Средний пробег в аргоне - наполнителе КД, при давлении 1 атм около 3 см. При работе КД в импульсном режиме при зазоре между электродами 0,5 см амплитуда импульса равна 1,610^-19* 8010⁶/30*10^-10)(0,5/3) = 7 мВ, мёртвое время T⁺ = d²/mU = 10^-4 c.

КД можно регистрировать нейтроны при плотности потока в интервале от 10 до 10⁵ нейтрон/см²с при фоне γ-излучения до 10¹⁰ квант/см²с.

Делящиеся изотопы α-активны. Наличие α-активности определяет физический предел количества делящегося вещества, которое можно ввести в камеру деления. При большом количестве делящегося вещества в камере его α-активность становится настолько большой, что в камере деления регистрируется одновременно несколько α-частиц. Происходит наложение ионизационных эффектов от этих α-частиц, в результате чего на нагрузочном сопротивлении возникает суммарный импульс, амплитуда которого сравнима с амплитудой импульса от осколка деления. При большом числе таких α-наложений измерение нейтронов становится невозможным. Эффект α-наложений проявляется в камерах с радионуклидами ²³³U, ²³⁵U и ²³⁹Pu.

• ²³⁹Pu Q_a = 610²³*0,6910^-3/ 2,3910²*2,410⁴3,1710⁷ =2.310⁷ a/с*мг

• ²³⁵U Q_a = 7,910²a/с*мг

• ²³⁸U Q_a = 1,210²a/с*мг

Соотношение V_F/V_a = E_F/E_a = 30 (при R_F/R_a @ 0,5).

Допустимая масса делящегося нуклида зависит от мертвого времени КД

и допустимого числа наложений a импульсов.

Например, если допустимо 3^х кратное наложение с вероятностью 0,01, то

(Q T⁺)²exp(-Q T⁺)/4! = 0,01Þ Q T⁺= 6,5 Q = 6,510⁴a/с Q_max = 10⁵a/с

²³⁸U M_max = 1,2 г при S =100 см² m = 12 мг/см² = 2 R_FÞналожение ограничением не являются.

²³⁹Pu M_max = 0,01 мг Þ принципиальное ограничение

²³⁸U M_max = 1,2 г при S =100 см² m = 12 мг/см² = 2 R_FÞограничение – толщина слоя. Пусть Q_a = 310⁴a/с

p(4) = (0,3)³e^-0,3/4! = 810^-4 24отс/с

p(5) = (0,3)⁴e^-0,3/5! = 510^-5 1,5отс/с

p(6) = (0,3)⁵e^-0,3/6! = 2,510^-6 7,510^-2 отс/с

6V_a = 0,2V_F

t_слоя << R_f = 6 мг/см², e_F =2*1/2 =1,

КД l = 50 см стильбен

Запуск ВА стоп ВА

времена пролёта g и n = 0.1 и 2МэВ  0,6 нс и 52 нс

Разрешающее время КД (_КД = Dt_всп – необходимо минимальное )

Параметры КД: d = 0,2 см; P =0,1 атм; Ar с m= 5 см²/Вс; U = 300 B;

<T⁺> =0,5d/mU/d =1,310^-5c; T^{- -}@ 10^-8 c.

S = 10 см²  С = S/d = 50пкФ. При RC = 10^-8c R = 500 Ом

Разрешающее время  при _КД @ T^- /3  1нc

с доверительной вероятностью 0.7 будет наблюдаться в интервале Dt = <t^*> ( если Гаусс )

Амплитуда импульса КД

Средняя потеря энергии осколком в камере E  E_оск (2d ^Arr /R_оск) =

= 80МэВ(2*0,2*40/22,410³)/610^-3 = 10 МэВ

Средняя потеря энергии -частицей (пробег 8 мг/см²)

= 5МэВ(2*0,2*40/22,410³)/810^-3 = 0,8 МэВ

Амплитуда

V_F = eE/С = 1,610^-19 (10⁷/30)/510^-11 = 1мВ, V_ = 0,08 мВ

Стохастические ограничения на Q_F

Q_Fmax*<T⁺> £ 1; Q_Fmax  1/<T⁺> = 10⁵дел/с, Q_nmax = 410⁵ нейт/c

Плотность потока на детектор j = Q_nmax /4l² = 13 нейт/см²с