Лабы / 3 / ЛР3 Рыба

Введение. Цель работы:

Вданной работе изучается пространственное распределение резонансных и тепловых нейтронов в воде с использованием метода активаций и определяется зависимость потока нейтронов в относительных единицах от расстояния до источника.

Вработе определяются ядерно-физические характеристики материала,

используемого в реакторах для замедления нейтронов. Решения поставленной задачи можно получить, зная пространственное распределения нейтронов различных энергий в среде с точечным изотропным источником быстрых нейтронов. В общем случае теоретическое исследование процессов распространения нейтронов от такого источника в различных средах провести довольно трудно. Это связано с тем, что в любой точке пространства одновременно находятся нейтроны самых разных энергий (как замедляющиеся, так и тепловые), причем соотношение между количествами таких нейтронов зависит от состава среды. Обычно измерения проводятся на достаточно больших расстояниях от источника. Но даже в этой области распределения нейтронов существенно различаются для таких простых по составу сред, как графит, тяжелая и легкая вода. В первых двух средах на больших расстояниях r от источника быстрых нейтронов практически имеются лишь тепловые нейтроны, распределенные по закону, характерному для точечного источника, испускающего тепловые нейтроны

где L – длина диффузии.

В обычной воде чисто тепловой спектр нейтронов не может установиться ни в какой области пространства и даже на больших расстояниях от источника ход потока тепловых нейтронов определяется плотностью замедления, а отношение потоков тепловых и эпитепловых нейтронов стремится к постоянному значению. Результаты многочисленных экспериментов показали, что в воде на достаточно больших расстояниях от точечного источника быстрых нейтронов (r > 10 см) распределение потока нейтронов любой энергии с хорошей точностью подчиняется закону

где Σt - полное макроскопическое сечение для воды при энергии нейтронов источника.

Итак, в воде нет области, практически содержащей лишь тепловые нейтроны. Однако и здесь так же, как для графита и тяжелой воды, можно ввести в рассмотрение площадь миграции

которая является мерой среднего смещения нейтрона от точечного источника за время жизни (время замедления плюс время диффузии). Эта величина

определяется из соотношения

0

— средний квадрат расстояния от источника до точки поглощения теплового нейтрона; ФТ(r) — пространственное распределение потока тепловых нейтронов; Σа— сечение поглощения тепловых нейтронов для воды.

Таким образом, для определения площади миграции необходимо знать пространственное распределение тепловых нейтронов.

По (3.5) можно также определить средний квадрат расстояния от источника до точки, в которой нейтрон имеет определенное значение энергии Е. Обычно, рассматривается либо точка, в которой нейтрон заканчивает процесс замедления, либо точка, в которой нейтрон достигает значения резонансной энергии детектора. В этих случаях в (3.5) надо использовать вместо ФТ(r) пространственное распределение нейтронов соответствующей энергии. Тогда будем иметь

при заданном dr (например, dr = 1). Как следует из (3.2), на большом расстоянии от источника

т.е. с увеличением r величина Ф(r)r2 стремится к нулю. В другом предельном случае (r → 0) эта величина также стремится к нулю.

Описание экспериментальной установки

Вработе используется метод активаций. Экспериментальная установка состоит из цилиндрического бака с водой, калифорниевого источника нейтронов, β-счетчика и детектора из природного серебра.

Бак выполнен из алюминия. Боковая поверхность изготовлена в виде двух коаксиальных цилиндров. Пространство между цилиндрами заполнено борированным парафином, выполняющим роль биологической защиты. Внутренние размеры бака (Н = 100 см, D = 65 см) достаточны для того, чтобы можно было пренебречь утечкой нейтронов за пределы бака.

Вверхней части бака установлена крестовина. К центру крестовины на специальном держателе подвешен источник нейтронов. В радиальных ветвях крестовины имеются пронумерованные отверстия для установки проволочного держателя детектора. Расстояния между соседними отверстиями равны 1 см; расстояние от центра крестовины до ближайшего отверстия составляет 3,5 см. Длина держателя выбрана такой, чтобы детектор при активации находился на одной горизонтальной прямой с источником. Размеры источника настолько малы, что его можно рассматривать как точечный.

Вкачестве детектора используются пластинки из природного серебра.

Втабл. 3.1 даны свойства серебра. Видно, что активность серебряного детектора практически обусловлена изотопами 108Ag и 110Ag. Эти изотопы имеют большие сечения активации и малые периоды полураспада. Последнее и явилось определяющим при выборе детектора.

Для определения эпитепловой активации используется кадмирование детектора (детектор помещается в кадмиевый чехол при облучении нейтронами). Предполагается, что кадмий полностью поглощает тепловые нейтроны и совсем не поглощает эпитепловые.

Методика эксперимента

Вэкспериментальной части работы определяются распределения резонансных и тепловых нейтронов в относительных единицах по объёму замедлителя (воды). Для этой цели измеряются величины, пропорциональные активности детектора, облученного на различных расстояниях от источника. В каждой точке детектор активируется в кадмиевом чехле и без чехла. Таким образом, эксперимент представляет собой серию одинаковых по методике циклов, каждый из которых состоит из четырех этапов.

Рекомендуется следующий режим работы: время активации - 1 мин; время переноса – 15 с; время счета – 100 с;

полное время цикла — 4 мин.

Вклад отдельных изотопов детектора в показания прибора легко оценить, используя выражение (2.20) из работы № 2. Расчеты показывают, что при активации только резонансными нейтронами вклад короткоживущего изотопа во много раз больше вклада долгоживущего. При активации полным спектром нейтронов (детектор не закадмирован) вклады изотопов соизмеримы, но все же вклад короткоживущего изотопа выше вклада долгоживущего. Поэтому рекомендуемый режим достаточно хорошо удовлетворяет условиям, предъявляемым к отдельным циклам. Погрешность измерений прибора от вклада остаточной активности, обусловленной долгоживущим изотопом, будет при этом незначительно изменяться в каждом последующем цикле, не превышая, однако, 10 % даже в самом худшем случае (активация полным спектром). Для дополнительного уменьшения погрешности от этого вклада рекомендуется активацию проводить сначала с закадмированным детектором, перемещаясь от периферии бака к центру, а затем с открытым детектором в той же последовательности. В работе не учитываются поправки к результатам, обусловленные конечными размерами детектора.

При выбранном режиме работы нужно провести 32 цикла. Держатель детектора при этом устанавливается последовательно в 16 следующих точках крестовины: № 25, 23, 21, 19, 17, 15, 13, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 3, 1.

Вработе не учитываются поправки к результатам, обусловленные конечными размерами детектора.

Протокол измерений Вариант № 3

2) Определить обусловленное тепловыми нейтронами ∆ Т по формуле:

∆Т = ∆ − ∆ (∆ ), где ∆ (∆ ) − показание прибора, обусловленное резонансными нейтронами.

а) ∆ = ( )

Рис. 1. Зависимость показаний прибора, обусловленных резонансными нейтронами, от расстояния от источника нейтронов.