книги из ГПНТБ / Гуртовой М.Е. Вопросы физики быстрых нейтронов. Спектрометрия быстрых нейтронов по времени пролета

Т и н к і і я

м и ш е н ь

"■•

Яиниэнкилімпіічегяие

с;-.рі/мпиривпнные нейтроны

I

t

‘

'

Монизнереетический пучок

положительных ионов

Вепти* ильная

МітроОление

т і і н к п я і ч і н и е н ь

движения

В - 90“

Данис

движения

пучка

(р и с .2 5 ) .

Если

линия

фронта

пучка со ставл яет угол

Ф

с этим

же направле­

нием

(о с ь

X ) ,

то нейтроны будут группироваться

по линии мишени при

условии:

Un

_

S L n Ф

(1 7 )

U p

~

S i n ( Ф - В)

гд е :

U n

и

U p

- скорости нейтронов и заряженных частиц.

Д ействительно,

при этой

скор ость "р азвер тки "

пучка заряженных частиц

по мишени

равна

скорости нейтронов в атом направлении,

и, таким об­

бытием сюда

нейтрона,

рожденного в нижней части мишени.

В более

общем

сл учае,

когда нейтроны вылетают под углом О

к пучку, группировка

осущ ествляется

при

условии

Un

SinФ-CDS(0 - Q)

Up ~

S i n ( 0 - 0 )

'

( I 8 )

В любом

случае угол вылета нейтронов постоянный и, таким обра­

зом, они

моноэнергетичны. В случае

Д-Д

реакции с

энергией дейтронов

0 ,5 - 1 0 Мэв

и

Q =10°

угол

Ф

изменяется в пределах

1 0 - 3 0 ° . Для

реакции

І _ і( р ,г і )

и

Б

=90°при

изменении

энергии протонов

в пределах

2 - 3 ,2

Мэв,

угол

Ф

изменяется от 170° до

1 5 0 °,

то есть

фронт почти

параллельный падающему пучку. Коэффициент сжатия

авто ­

ры предлагают определять по

отношению длительности протонного им­

пульса до

группировки

к

длительности

нейтронного

импульса в

д етек ­

торе ,

П редлагается

конкретная схема

эксперимента. Для реакции

L I (р,гі)

можно получить коэффициент

сжатия

равным

3 0 . Для

предварительного

увеличения

числа частиц

в импульсе предлагается использование клметро

ной группировки.

Для

этого рассмотрены способы компенсации энер­

гети ческо го

разброса в

пучке, вводимого клистронной группировкой.

Комбинация

методов

дает

увеличение коэффициента сжатия до 3 3 0 . В

- 55

-

принципе,

дополнительное

использование магнитна

йодли

монет повы­

сить это

значение.

Однако

эти идеи

предложены применительно к

идеализированному

м уча» и не

учитывает

ряда о бсто я тел ьств, существенных

при практи­

гии

нейтронов необходимо менять энергив заряженных

частиц,напряже­

т е

и частоту раскачки, угол наклона миаени и т . д .

Тем не менее реализация вышеизложенных идей, в

принципе, может

§ 5 . Источники с

естественной ыодуляцией пучка.

Для спектрометрии быстрых нейтронов по времени пролета кроме

вышерассмотренных источников нейтронов используется и другие.

Широкое приыенение нашел циклотрон, имевший естественную л о д у -

ляцнв пучка. Длительность импульса на выходе может быть І-Э нсек

в зависимости от настройки (режима работы) ускорителя, а период

повторения не более

5 0 -1 0 ^ н сек . Указанные параыетры так связаны с

работой самой установки, что их трудно

контролировать.

Это являете»

недостатком, так как при необходимости

получить больший

период

по»

горения соответствувщ ая часть

импульсов

удаляется дополнительными

отклонявшими пластинами.

При

этом коэффициент

использования пучка

резко п адает.

Оригинальная система

"группировки

отклонением" применена

в

Карлсруэ для изохронного циклотрон? на

50

Мэв

(Ч е 6 8 ). Симеиа

со сто ­

ит из двух пар отклонявших пластин. Одна

пара

распололіена вйзязи

-

56 -

центра ускорителя и формирует ионные сгустки длительностью

в несколь

ко микросекунд (каждый из которых состоит примерно из

50 сгу ст к о в

микроструктуры), с частотой повторения 20 кгц .

Вторая пара отклоняющих пластин располагается на некотором

среднем радиусе и служит

для одновременного отклонения

всей

серии

с гу с т к о в микроструктуры

на нейтронную мишень, расположенную

выше

медианной плоскости циклотрона. При этом каждый из 50

сгу ст к о в

увеличение

интенсивности

примерно в

50

раз

(число

сгу ст к о в микро­

структуры

в серии) до сти гается за

счет

отказа от

м оноэнерге-

тичнооти ионов, бомбардирующих мишень. Но, поскольку циклотрон

используется

как "белый"

источник нейтронов,

этот

дополнительный

энергетический

разброс

несущ ественен

. Полная

длительность импуль­

са нейтронов составляла

I- н се к . Нейтроны

получались

на

толстой

ура­

новой мишени. Интегральный поток равен

5 .1 0 % е й т р о н о в /см ^ .се к

при

пороге регистрации 250 кэв на б азе 57

метров.

Ускоритель используется в спектрометре

при

энергиях нейтронов

от нескольких

сотен килоэлектронвольт

до

30

Мэв.

Планируется у в е ­

личить длину пролета до ІѲО м, а часто ту повторения

до

200 к гц .

Развитие

наносекундной техники,

многоканальных

анализаторов и

быстрых нейтронов

фазотроны

и линейные ускорители.

Рейнуотер и др .

(Р э 6 4 )

сообщают о нейтронном спектрометре с

базой

200 м. Максимальная энергия протонов на выходе фазотрона

350 Мэв,

эффективная

длительность

импульсов 20 н се к . При среднем

токе

0 ,4

мка сгу сто к

содержит 4 . ІО1® протонов.

В р езул ьтате

реакции .со

свинцовой мишенью на один протон выле­

тают

несколько

нейтронов,

энергия

которых со о тветству ет наковел -

водит

спектр в область

0 -1 0

Мэв. В одном импульсе длительностью

20 нсек содержится около

ІО1*

нейтронов,

что

со о тветству ет мгно­

венной

интенсивности

5 .1 0 *® н е й тр /сек . Чтобы

уменьшить ослабление

пучка

нейтронов при

б азе

200

м на пути

нейтронов располагались* бал­

высоких

энергий

из реакции

( р ,п )

. Режим работы

ускорителя по­

добран

та к ,

что

длительность импульса уменьшена до 2

н се к . Исполь­

зуемую

базу

30

м

планируется увеличить до 100 м. после увеличения

интенсивности.

В

настоящее

время интенсивность около

108 п ротон ов/сек.

Толчком

для

использования метода времени пролета на линейных

ускорителях

послужило желание перекрыть резонансную

о бласть.П осто ­

электронов

(П еб9)

имеет

следующие

параметры: максимальная энергия

электронов

140 Мэв

;

ток

в

импульсе превышает 30 а ; длительность

импульса 2 ,5

нсек

при

часто те следования I

к гц .

На базе

40 м ожидается

энергетическое

разрешение І 0 ”^ - 2 .Ю " ^

для энергий

нейтронов

5 -5 0 0

к э в .

Имеется два проекта ускорителей предназначенных для использо­

вания в к а ч естве источников

нейтронов.

Согласно одному

из

них

(Б аб б)

, нейтроны будут генерироваться

при

взаимодействии протонов о энергией І І Ь в со

свинцово-

висмуто­

вой

мишенью. При этой энергии один протон рождает

около

20

нейтро­

н о в.

Спектр нейтронов непрерывный с максимумом в

области

І - ІО Мэв.

техьное

энергетическое

раэреаение

для энергий вплоть до

100 Мэв,

так

как

при использовании этих ускоритахей интенсивность

пучков

частиц с релятивистскими энергиями ув&хичивается примерно

в 100

раз

по

сравнению

с фазотронами в

том і е диапазоне энергий

(о т

10 до нескольких

сотен

М эв).

.

ИНТЕРВАЛОВ

В спектрометре быстрых нейтронов

временной

анализатор

измеряет времена

в

наносекундной

области . Для

этого он дол­

жен выполнять д ве

основные функции : I )

выделение

интервала

времени; 2 ) его

измерение.

Измерение

выделенного интервала

времени

в

настоящее

время

не представляет трудности

. "Схемное" временное разре­

шение

анализатора

легко может

быть доведено

до

нескольких

ницы

наносекунд,

т . е . на

2 -3 порядка хуже. Это связано с труд­

ностью

выделения

измеряемого

интервала времени.

§ 1 . Измерение

временных интервалов.

Простейшими

устройствами

для измерения временных интер­

валов являются схема задержанных совпадений

и многоканальный

ее вариант - хронотрон (

Г р 5 7 ).

Дальнейшее

усоверш енствование

шло

по

двум

путям -

прямые

методы измерения

(

Р е67,Ф и 65)

и

косвенные

(

К у67,

Д р 6 5 ).

В наносекундной'области

наибольшее

распространение

получили

косвенные методы

измерения. Эти

ме­

тоды

основываются

на

том

, что

временной

интервал

преобразу

-

е тся

либо

в

импульс,

амплитуда

которого

пропорциональна

из

-

меряемому

интервалу

( п реобразователк^'врем я-

ам плитуда"),

либо

в

более

длинный

временной

интервал, измерение которого

пряными

методами

можно провести

с

большой точностью

(

раз

-

личного

типа верньерные

методы

или

"нониусные",

экспандеры

емкостного

типа ) .

В физическом

эксперименте

наибольшее распространение

получили преобразователи

"время

-

амплитуда"

благодаря

сво ­

ей простоте

,

надежности,

высокому

собственному

разрешению

( ~ К Г ^ с е к

) ,

гибкости в

выборе

измеряемого

интервала,

хоро­

шей дифференциальной

линейности

( Д рб5).

Важным фактором

я в

-

л яется

и то

,

что

при их

применении

анализ ведется

обычными

стандартными

амплитуднымианализаторами .

Преобразование времени в амплитуду может

осущ ествляться

двумя путями:

а )

методом

"перекрытия

импульсов";

б )

методом

"ст а р т -ст о п ".

В

основе

обоих

методов лежит

идея

линейного

заряда

( разряда)

емкости в

течение

измеряемого

интервала

времени.

t . Реке для накопления

энергии

используют

индуктивность .

На выходе

конвертора

амплитуда

импульса

-

j f ' é '

•

гд е

ствевн ая

ему временная неоднозначность ,

т . к . амплитуда вы­

ходного

сигнала

не

зависит

от

последовательности поступле­

ния

импульсов.

Для

устранения

ее вводятся

дополнительные

цепи

временной

селекции. Кроме

то го , тр ебуется

хорошее фар-,

мировавие входных импульсов

по амплитуде

и по

временя.

В методе

"ст а р т -сто п "

начало

и

конец

преобразования

определим ся

моментами

появления

соответствующих

импульсов.

\

В отличие от предыдущего метода

зд есь

длительность

зап уска­

ющих

импульсов

не

связан а

прямо

с

измеряемым интервалом

времени.

Однако,

на

выходе

конвертора

появляется

импульс

также

я при

поступлении

только

одного

стартового

си гн ала.

П ерегрузка

последующих

цепей

этими импульсами

(

при боль­

ной

частоте

их

следовани я),

может

исказить

результаты

из

-

мерений . Для подавления этих непарных импульсов

иногда

ис­

пользуют

схемные

решения

(

Б а 6 9 ,Б а 7 0 ).

В

случае

работы

пре­

образователя

с

импульсным

источником нейтрош в

,

когда

час

-

тота

следования

опорных

импульсов

составл яет

единицы

и д е ­

сятки

м егагерц,

для

подавления

непарных

импульсов

,

обычно

используют

обратное

включение

,

т . е ,

преобразователь

зап ус­

кается

импульсами

от детектора

, а останавливается ближай-

лим

опорным импульсом. При

этом

амплитуда

выходного

импуль­

са

пропорциональна

не

измеряемому

интервалу

времени

t

,а

дополнительному

времени

Т -

і

,

гд е

Т -

период

повторения

опорных импульсов , т . е .

}/н ~ ^

(т- t) . В таких

случаях

на

временных спектрах

шкала

времени

отсчиты вается

не

как

обыч­

но, а справа налево. Начало

о тсч ета

определяется

по и зве ст

-

ному

положению

у -п и к а

нли другими

способами.

Основными

характеристиками

преобразователями

"врем я-

амплитуда"

являю тся:

1 )

Постоянная

преобразования

(конверсионная

константа

)

у

,

измеряемая

в

м в/н сек;

2 )

Рабочий

диапазон

(

н с е к );

3 )

Временное

разрешение

Т

(

н с е к );

4 )

Линейность