Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zademonstrowanie metody pomiaru jednego z najważniejszych parametrów reaktora jądrowego - strumienia   neutronów prędkich z wykorzystaniem reakcji progowej ⁵⁸Ni(n,p)⁵⁸Co. Ćwiczenie pozwalało rozumieć podstawy działania reaktora jądrowego oraz przypominało wybrane zagadnienia fizyki jądrowej.

Przygotowanie ćwiczenia

Przed przystąpieniem do ćwiczenia należało zapoznać się z następującymi zagadnieniami z zakresu fizyki reaktorów i fizyki jądrowej oraz techniki pomiarowej:
- zasada działania reaktora jądrowego (rozszczepienie jąder, reakcja łańcuchowa, spowalnianie neutronów, widmo energetyczne neutronów, gęstości strumieni neutronów),
- reakcje jądrowe z neutronami (wychwyt radiacyjny, reakcje progowe, typowe przekroje czynne, wzbudzenie jądra, rozpad promieniotwórczy),
- spektrometryczny pomiar aktywności (detektory półprzewodnikowe, wydajność detektora),
- pomiar strumieni neutronów za pomocą detektorów aktywacyjnych (pomiar strumieni neutronów termicznych, epitermicznych i prędkich),
- podstawy rachunku błędów.

W ramach przygotowań do ćwiczenia przeprowadzone zostało również krótkie szkolenie z podstaw dozymetrii i ochrony przed promieniowaniem.

Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie obejmowało pomiar gęstości strumienia neutronów prędkich w reaktorze jądrowym, wykonywany za pomocą metody aktywacji niklu. Ponieważ w trakcie aktywacji następuje wypalanie izotopów ^58mCo i ⁵⁸Co na skutek wychwytu neutronów termicznych, dodatkowo wykonywany jest pomiar gęstości strumienia neutronów prędkich za pomocą detektora kobaltowego. Poszczególne etapy ćwiczenia to:
- przygotowanie folii aktywacyjnych i zapakowanie do pojemnika do napromieniań,
- aktywacja detektorów w jednym z kanałów do napromieniań w reaktorze MARIA,
- kalibracja detektora półprzewodnikowego,
- po rozpakowaniu folii pomiar ich aktywności za pomocą detektora półprzewodnikowego,
- opracowanie wyników pomiaru.

Przygotowanie folii aktywacyjnych oraz aktywacja (napromienianie) detektorów muszą zostać przeprowadzone kilkanaście dni przed pomiarami aktywności ⁵⁸Co. Aktywacja detektorów odbywa się w jednym z kanałów tzw. poczty do napromieniań w reaktorze MARIA. Detektory aktywacyjne (nikiel i drut AlCo) są pakowane do odpowiedniego zasobnika do napromieniań a następnie, po wypełnieniu odpowiedniego zlecenia na napromienianie, przekazywane do sterowni reaktora MARIA. Zespół Zmianowy dokonuje załadunku zasobnika z detektorami do wybranego kanału izotopowego poczty i rozpoczyna ich aktywację (napromienianie neutronami). Po zakończeniu napromieniania zasobnik z detektorami aktywacyjnymi usuwany jest z reaktora i przekazywany po kilkunastodniowym okresie schładzania do laboratorium pomiarowego.

Właściwe pomiary, wykonywane w ramach ćwiczenia rozpoczynają się od kalibracji detektora półprzewodnikowego za pomocą wzorcowych źródeł gamma: ¹⁵²Eu i ⁶⁰Co. Kalibracja źródłem ¹⁵²Eu służy do określenia wydajności układu pomiarowego dla linii 810.8 keV izotopu ⁵⁸Co, natomiast źródłem kobaltowym - wydajności układu dla linii gamma ⁶⁰Co.

Następnie, zachowując tę samą co podczas kalibracji, geometrię źródło-detektor, mierzona jest aktywność ⁵⁸Co (detektor niklowy) oraz ⁶⁰Co (detektor AlCo). Znajomość aktywności tych detektorów oraz warunków aktywacji i schładzania pozwala na obliczenie gęstości strumienia neutronów prędkich o energiach powyżej 0.5 MeV.

Opracowanie wyników

Opracowanie wyników pomiarów obejmuje następujące etapy:
- Kalibracja detektora półprzewodnikowego polega na pomiarze szybkości zliczeń w poszczególnych liniach widmowych promieniowania gamma ze źródła wzorcowego. Obróbka widma gamma (całkowite liczby zliczeń w fotopikach) odbywa się automatycznie za pomocą oprogramowania firmy OXFORD. Znajomość aktywności źródła wzorcowego oraz intensywności poszczególnych linii widmowych pozwalają na obliczenie wydajności detektora dla tych linii. W przypadku kalibracji detektora dla linii widmowej 810.8 keV ⁵⁸Co konieczna jest interpolacja wyników. Dla widma ⁶⁰Co wydajności są określone bezpośrednio dla obu linii widmowych: 1173.2 keV oraz 1332.5 keV.
- W wyniku pomiaru aktywności niklu oraz kobaltu uzyskuje się szybkości zliczeń fotonów dla charakterystycznych linii widmowych izotopów ⁵⁸Co oraz ⁶⁰Co. Znajomość szybkości zliczeń i wydajności pozwala na obliczenie aktywności obu detektorów.
- Uwzględniając masy folii oraz czasy aktywacji i schładzania oblicza się współczynniki samoprzesłaniania neutronów oraz szybkości reakcji ⁵⁸Ni(n,p)⁵⁸Co oraz ⁵⁹Co(n,)⁶⁰Co. - Po obliczeniu współczynników samoprzesłaniania neutronów oblicza się gęstość strumienia neutronów prędkich o energiach powyżej 0.5MeV wraz z analizą błędów.