Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
2. При работе с монохроматическими нейтронами из тонких мишеней применение техники времени пролета не нужно. Однако ее использование в этом случае позволяет надежно исключить фон экстраполяцией скорости счета из каналов, куда не попадают первичные нейтроны (и где считаются только импульсы фона), на область спектрального пика. Кроме того, фон регистрируется всеми каналами анализатора, а полезные импульсы — только группой каналов, соответствующих длительности ВСПЫШКИ Atn, в результате отношение эффекта к фону в этих каналах оказывается в Tlxn раз лучше, чем без использования техники времени пролета (здесь T — интервал времени между вспышками).
Характерными параметрами установок с большими баками являются следующие: объем — несколько сот или даже тысяч литров, временное разрешение 10—20 нсек, пролетная база около 1,5 м частота повторения вспышек 1 Мгц. Большую пролетную базу, как правило, трудно бывает использовать из-за недостаточно высокой интенсивности источников. В результате при энергиях примерно 150 кэв разрешение оказывается около 10%, что затрудняет использование сцинтилляционных баков при больших энергиях нейтронов с широкими спектрами. При работе с монохроматическими нейтронами, когда техника времени пролета используется лишь для исключения фона, удавалось подняться до несколько больших энергий —порядка 1 Мэв.
Как и при использовании детекторов с малыми телесными углами, измерения с баком носят, как правило, относительный характер (поскольку неизвестны абсолютные значения потоков нейтронов,
16* 502 соответствующих каждом каналу временного анализатора). В этом случае проводятся последовательные измерения или с двумя образцами (исследуемым и эталонным), или с образцом и детектором нейтронов с известной зависимостью ьд (E). Такие измерения позволяют получить кривую зависимости сечения реакции от энергии нейтронов в относительных единицах, после чего ее необходимо нормировать по результатам независимых измерений (аналої ично измерениям методом активации).
§ 14.5. МЕТОД ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕКТРОМЕТРА НЕЙТРОНОВ ПО ВРЕМЕНИ ЗАМЕДЛЕНИЯ В СВИНЦЕ
Физические основы метода. В процессе упругого замедления нейтронов в тяжелом веществе (А » 1) уменьшение их энергии во времени описывается соотношением
d (In Е) = -Ivdtns, (14.55)
где с да 21А — средняя логарифмическая потеря энергии при одном упругом столкновении с ядром; v — скорость нейтрона; I8 — средний путь между двумя актами рассеяния; А — массовое число. Поскольку сечение рассеяния слабо зависит от энергии нейтронов, соотношение (14.55) можно проинтегрировать, считая I да const, что приводит к соотношению
t = AK8 (Vv-Vv0), (14.56)
где D0 — начальная скорость нейтрона. Из этого выражения следует, что к любому моменту времени t после появления в тяжелой среде все нейтроны, имевшие в начале скорость V0, будут обладать одинаковой скоростью V, где бы они ни находились в блоке вещества. При этом, если V0 велика, то
t да AlsIv, (14.57)
т. е. время замедления нейтронов до скорости V равно времени пролета нейтронов с данной скоростью некоторого эффективного пролетного расстояния I3ф = Als. В результате этого метод приобретает много общего с рассмотренным выше методом времени пролета. В качестве замедлителя лучше всего использовать свинец, ибо он обладает большой атомной массой, малым сечением поглощения нейтронов и высоким по сравнению с другими тяжелыми веществами порогом неупругого рассеяния. Для свинца А = 207, I8 = 2,9 см и /эф = 6 м.
Из сказанного следует, что если в блоке свинца поместить импульсный источник нейтронов и недалеко от него детектор, то по времени t между вспышкой нейтронов и моментом появления импульса в детекторе можно судить о том, с какой энергией нейтрон был зарегистрирован:
E(t)=mnAil\i2(t-VAlJvr>Yx тп A' III2t2, (14.58)
503- где тп — масса нейтрона. Если энергию измерять в электрон-вольтах, а время в микросекундах, то последнее соотношение можно представить в виде
E = 1,8 • IO5//2 (14.59)
или
t = 4,25.102/!/!. (14.60)
Однозначная связь энергии и времени замедления открывает возможность измерения эффективных сечений взаимодействия нейтронов с ядрами в широком диапазоне энергий, на что было впервые указано советскими физиками Л. Е. Лазаревой и Е. Л. Фейнбергом в 1950 г.
Энергетическое разрешение метода. Можно показать, что из-за статистического характера процесса замедления нейтроны в любой момент времени обладают некоторым разбросом скоростей, причем
Ди2/и2 = 2/ЗЛ (14.61)
или
До/?> = У27ЗХ (14.62)
Относительный разброс энергий оказывается в два раза больше
AE / E = V 8/ЗА, (14.63)
откуда для свинца АЕ/Е да 0,11. Итак, энергетическое разрешение метода не может быть лучше 11%. В действительности оно оказывается даже хуже, так как в области быстрых нейтронов проявляется дополнительный разброс энергий, связанный с неупругим рассеянием нейтронов на ядрах свинца, а при малых энергиях начинает сказываться тепловое движение атомов свинца, которое также приводит к размытию спектральной линии. Практически достижимое разрешение метода при различных энергиях иллюстрируется цифрами, приведенными в табл. 14.1.
