Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
85 Существенный недостаток источников у-квантов, использующих (п, у)-реакцию, — это неизбежно большой нейтронный фон, особенно если сечения (п, у)-реакции материала мишени малы.
Реактор как источник у-квантов. В каждом ядерном превращении (за исключением тормозного излучения ?-частиц, вклад которого в полную энергию, уносимую у-квантами, мал) возникают у-кванты с дискретным спектром; однако огромное число возможных энергий квантов, а также рассеяние с изменением энергии у-квантов на атомах приводят к тому, что реальный спектр из активной зоны любого реактора можно считать непрерывным. И лишь в тех случаях, когда преобладает один из возможных процессов, например захват нейтронов водородом в водяном отражателе теплового реактора, можно обнаружить отдельные линии на фоне сплошного распределения.
Основным процессом, приводящим к появлению у-излучения в активной зоне реактора, является излучение из возбужденных осколков деления — так называемые мгновенные у-кванты деления, у-излучение продуктов деления и у-излучение из (п, у)-реакции. Менее существенны (по интенсивности) такие источники, как реакция неупругого рассеяния быстрых нейтронов, распад радиоактивных ядер в конструкционных материалах активной зоны, аннигиляция позитронов и тормозное излучение.
Энергия, уносимая у-излучением в процессе деления, равна примерно 8 Мэв, еще около 6 Мэв приходится на у-излучение из продуктов деления и приблизительно столько же возникает при захвате нейтронов в конструкционных материалах активной зоны и в топливе без деления. Известно, что каким бы способом не было возбуждено ядро, вероятность электромагнитного перехода мала, если энергия возбуждения заметно больше энергии связи нейтрона в ядре, которая не превосходит 6—8 Мэв, за исключением самых легких ядер, которых в активной зоне обычно нет. Следовательно, энергетическое распределение у-квантов в активной зоне должно резко обрываться при энергиях примерно 7—8 Мэв. Поскольку вероятность однофотонных переходов, при которых у-квант уносит всю энергию возбуждения, мала, а рассеяние у-квантов в активной зоне приводит к уменьшению их энергии, следует ожидать, что энергетическое распределение у-квантов будет характеризоваться резким подъемом в области малых энергий. Действительно, суммарный спектр у-квантов от всех источников внутри активной зоны хорошо аппроксимируется выражением
Ф (Ey) = const ехр (—1,1 Ey), (3.19)
где Ey выражено в мегаэлектронвольтах.
Эта формула справедлива в интервале энергий 0,5—7 Мэв. Интересно, что спектр у-квантов в активной зоне реактора совсем не зависит от топлива и очень слабо зависит от состава зоны.
Полное число у-квантов, выходящих из активной зоны реактора, зависит не от его полной мощности, а от удельной мощности, по-
86 скольку у-кванты выходят не из всего объема активной зоны, а лишь с некоторой глубины. Гамма-кванты, рожденные в глубине активной зоны, там и поглощаются. Эффективная толщина слоя, из которого у-кванты могут достичь поверхности зоны, приближенно равна средней длине пробега у-квантов до взаимодействия, т. е. 10—30 г/см2. При плотности тепловыделения 40—100 вт/см3 интенсивность у-излучения на поверхности активной зоны около IO14 Мэв/(см2-сек).
Гамма-излучение из мишеней электронных ускорителей. Быстрый электрон, проходя через вещество, в результате взаимодействия с ядрами изменяет направлениедвижения, т. е. испытывает ускорение. При ускорении заряженной частицы неизбежно испускается электромагнитное излучение. Доля энергии, которая теряется электроном на излучение, называемое тормозным, зависит от энергии электрона и вещества, в котором происходит торможение (характеристики тормозного излучения описаны в гл. 2).
Современный электронный ускоритель со средним током 1 ма и энергией ускоренных электронов 30—40 Мэв создает мощность дозы около IO4 рад!сек в 1 ж от вольфрамовой мишени. Хотя спектр тормозного излучения сплошной, но, проводя измерения при разных энергиях ускоренных электронов и сравнивая их, можно получить зависимость сечения какого-либо процесса от энергии у-квантов, пользуясь тем, что максимальная энергия у-квантов в спектре равна максимальной энергии электронов в мишени. Естественно, что при этом нужно хорошо знать форму спектра у-излучения вблизи верхней границы.
Получение монохроматических уквантов- Ядерные реакции с у-квантами, энергия которых точно известна, являются мощным инструментом для изучения свойств ядер, поскольку механизм взаимодействия между электромагнитным полем и ядром точно известен. Однако до сих пор очень мало исследователей работали с монохроматическими у-квантами, и только потому, что создать достаточно интенсивный источник монохроматических у-квантов с энергией в интервале 5—15 Мэв труднее, чем выполнить остальную часть измерений.
. Рассмотренные источники у-квантов имеют или сплошной спектр, или недостаточную для большинства экспериментов интенсивность, к тому же энергия у-квантов в ходе эксперимента с такими источниками не может меняться (например, в реакциях с заряженными частицами). Квантовые генераторы света и мощные электронные ускорители на большие энергии позволяют получить монохроматические у-кванты с помощью обратного комптон-эффекта.
