Oddziaływanie neutronów z materią.
Strona główna

Trochę historii
Encyklopedia
Wstęp
Detektory
    Neutronów

Spektrometria
    Neutronów

Źródła neutronów
Spowalnianie
    neutronów

Reakcje
    rezonansowe

Gęstość
    poziomów
    jądrowych

Rezonanse
    analogowego
    izospinu

Procesy
    rozszczepienia
    jąder

Reakcje
    łańcuchowe

Pomiar
    reaktywności

Labolatorium
    w Świerku


Publikacje
Malarstwo
    w reaktorze

Geniusz w cieniu

Bibliografia
Strona główna

Spektrometria neutronów

Metody spektrometrii neutronów, podobnie jak metody ich detekcji, zależą od obszaru energii.
1. Neutrony powolne. W tym obszarze energii żaden detektor nie daje bezpośrednio informacji o energii neutronów. Nie można również użyć wiązki neutronów monoenergetycznych, gdyż neutrony powolne uzyskuje się metodą spowalniania neutronów o wyższej energii w materiale zawierającym wodór, co pozwala uzyskać ciągłe widmo neutronów.

Do celów spektrometrii i monochromatyzacji neutronów powolnych stosuje się przeważnie dwie metody:
a) Metoda czasu przelotu. Wiązkę neutronów przerywa się by uzyskać krótkie impulsy o czasie trwania , powtarzające się periodycznie z okresem t0

.

Zawarte w takim impulsie neutrony o prędkości docierają do detektora znajdującego się w odległości l po czasie

.

Jeżeli detektor będzie uruchamiany na krótki czas , też periodycznie z okresem t0, lecz z opóźnieniem po impulsie wiązki, to będzie on rejestrował tylko neutrony o prędkości

,

a zatem tylko o określonej energii. Zmieniając czas opóźnienia , zmieniana jest energia rejestrowanych neutronów.


Zasada metody czasu przelotu spektrometrii neutronowej. a) impulsy wiązki neutronów, b) impulsowe uruchamianie detektora.
rys.1.144-1. str.96: A.Strzałkowski, "Wstęp do fizyki jądra atomowego"

Prędkość neutronu związana jest z jego energią zależnością


Gdzie jest prędkością neutronu, E jest jego energią, a m - masą.

W obszarze neutronów powolnych czasy przelotu zmieniają się od wartości 448 s/m dla neutronów termicznych, do wartości 2,28 s/m dla neutronów o energiach 1 keV, a zatem są dość łatwo mierzalne przy nie dużych odległościach detektora od źródła.

Wiązkę neutronów może być przerwana mechanicznie. Wykorzystuje się przy tym fakt, że neutrony termiczne są silnie pochłaniane przez pewne materiały, np. kadm.

Przerywacz (chopper) wiązki: Skomplikowaną wiązkę neutronów powolnych przesyłamy wzdłuż szybko obracającego się walca, którego część centralna złożona jest na przemian z warstw Al i Cd. Neutrony przechodzić będą przez ten cylinder tylko wtedy, gdy warstwy centralne będą równoległe do kierunku wiązki z dokładnością do kilku stopni. Detektor może być uruchamiany impulsami sterowanymi światłem odbitym od zwierciadła umieszczonego na tym walcu.


Schemat mechanicznego przerywacza wiązki neutronów.
rys.1.144-2. str.97: A.Strzałkowski, "Wstęp do fizyki jądra atomowego"

Tego typu selektory mechaniczne stosuje się zwykle przy reaktorach. Dolną granicę mierzonej energii (10 eV) określa zbyt małe natężenie strumienia neutronów. Górna granica zależy od możliwej do uzyskania dokładności pomiaru czasu przelotu.

Zdolność rozdzielcza metody czasu przelotu dla neutronów termicznych wynosi około 2%, a wiązki otrzymuje się o szerokości czasowej około 2 s.

W metodzie czasu przelotu stosować można również źródło neutronów dające wiązkę przerywaną, dzięki zastosowaniu impulsowego reaktora lub przez przerywanie wiązki z reaktora (jeżeli neutrony otrzymane zostały z reakcji jądrowej z cząstkami przyspieszanymi w akceleratorze). Uzyskane neutrony spowalnia się w moderatorze (zawierającym wodór). Daje do podobne zdolności rozdzielcze (kilka procent), a szerokości czasowe wiązek po spowolnieniu wynoszą 0,2 s dla eutronów spowolnionych do energii około 100 eV.

b) metoda dyfrakcyjna. Metoda ta wykorzystuje własności falowe neutronów. Neutronom o energii E przyporządkowana jest długość fali

gdzie h jest stałą Plancka, a m masą neutronu.

Dla neutronów termicznych (E=0,026 eV) otrzymujemy długość fali =1,8Å, a zatem rzędu długości płaszczyzn atomowych w kryształach.

Zdolność rozdzielczą (od 0,4% dla neutronów termicznych do 10% przy energiach rzędu 10 eV) określa tu rozbieżność padającej wiązki neutronów i jakość zastosowanego kryształu.

Warunek Bragga:

n=2dsin ,

gdzie:
n - rząd widma, - długość fali, d - stała sieci krystalicznej (czyli odległość między płaszczyznami atomowymi), - kąt odchylenia cząstki wzmocnionej w wyniku interferencji.

Z warunku Bragga wynika, że neutrony o długościach fali >2d przechodzić będą przez kryształ bez dyfrakcji, co wykorzystano do konstrukcji filtrów dla neutronów zimnych. Przepuszczając neutrony o widmie ciągłym przez proszek polikrystaliczny, to neutrony o długościach fal <2d będą ulegać dyfrakcji i będą usuwane z wiązki, a dla fal >2d neutrony będą przechodzić. Po przejściu przez warstwę proszku widmo neutronów jest ostro obcięte od strony malych długości fal. Filtr ten przepuszcza neutrony o energiach niższych od pewnej granicznej (dla Be - 0,0052 eV, dla C - 0,00183 eV, dla Mn - 0,0005 eV).

2. Neutrony prędkie. Dla tego obszaru energii neutronów istnieją detektory pozwalające ją mierzyć.
a) Spektrometry licznikowe. Wykorzystuje się tu zjawisko odrzutu protonów przy zderzeniu z neutronami. Energia odrzutu protonów Ep zależy od kąta odrzutu i wynosi:

,
gdzie En to energia neutronów.

Wypełniając licznik proporcjonalny wodorem, rejestrujemy protony odrzucone pod wszystkim możliwymi kątami i otrzymuje się ciągłe widmo impulsów. Dla energii neutronów nie przekraczajacych 10 MeV, widmo impulsów ma kształt prostokątny.

Mierząc liczbę impulsów o wysokości większej od pewnej zadanej, otrzymuje się linię prostą o ujemnym nachyleniu do osi energii. Przecięcie przedłużenia tej prostej z osią energii daje energię protonów równą energii neutronów En.

W metodzie licznikowej można się posłużyć również detektorem scyntylacyjnym ze scyntylatorem zawierającym wodór. Można też zastosować licznik półprzewodnikowy z radiatorem zewnętrznym w postaci folii polietylenowej pokrywającej czułą powierzchnię detektora.

W zakresie energii od 0,3 MeV do kilkunastu MeV otrzymuje się dla spektrometrów licznikowych wykorzystujących protony odrzutu, zdolności rozdzielcze od 3 do 6%, przy wydajnościach rzędu ułamka procenta.

Trudności występują przy bardziej bogatym widmie zawierającym kilka grup neutronów o różnych energiach. Uzyskane widmo miałoby wówczas kształt krzywej schodkowej, której maksima odpowiadają energiom poszczególnych grup neutronów. Można też od razu otrzymać liniowe widmo impulsów, rejestrując protony odrzutu emitowane pod określonym kątem, a zatem mające energie Ep. Kierunek emisji protonów z radiatora (np. folia polietylenowa) wybrać można stosując układ liczników (tzw. teleskop licznikowy) pracujących w koincydencji, przez które przechodzą protony odrzutu na swej drodze do detektora mierzącego ich energię. Jak również można zastosować drugi detektor mierzący neutrony rozproszone pod określonym kątem.


a) teleskop licznikowy do pomiaru energii protonów odrzutu, b) koincydencje między dwoma licznikami, wybierające kąt odrzutu.
rys.1.144-5. str.100: A.Strzałkowski, "Wstęp do fizyki jądra atomowego"

Koincydencje impulsów z obu liczników określają wówczas kąt odrzutu, wysokość impulsów z licznika 1 wyznacza energię odrzuconych protonów, a opóźnienie koincydencji odpowiednio do czasu przelotu między licznikami neutronu rozpraszanego pozwala na znaczne obniżenie tła pochodzącego od promieni . Zdolność rozdzielcza takich liczników jest rzędu (3÷12)%.

W spektrometrach licznikowych używa się również innych reakcji jądrowych.

gdzie n - neutron, a p - proton.

Jeśli zasięgi powstających cząstek naładowanych mieszczą się w objętości licznika, to otrzymuje się impulsy o wysokości odpowiadającej energii En+Q (Q - energia reakcji). Przy użyciu liczników półprzewodnikowych wprowadza się między nie dwa liczniki: gazowy lub folię). Jedna z cząstek emitowanych w wyniku reakcji jest wówczas rejestrowana przez jeden detektor, a druga przez drugi. Impulsami odpowiadającymi koincydencji tych cząstek uruchamiany jest układ elektroniczny wpuszczający do analizatora amplitudy impuls, będący sumą impulsów z obu liczników. Wydajność tych liczników jest bardzo mała, a rozdzielczość dla energii 3 MeV wynosi 50 keV.


Spektrometr neutronów.
rys.1.144-6. str.100: A.Strzałkowski, "Wstęp do fizyki jądra atomowego"

b) detektory śladowe jako spektrometry neutronów prędkich. Również wykorzystanie zjawiska odrzutu protonów. W tym celu na przykład wypełniana jest komora mgłowa wodorem (mogą też być komory pęcherzykowe wypełnione ciekły wodorem, jednak dolna granice energii neutronów jest wyższa - 5 MeV). Wypełniający komorę gaz ma małą zdolność hamowania, co nadaje się do pomiaru energii neutronów o małych energiach (poniżej 1 MeV).

Emulsje jądrowe są też dobrymi detektorami dla celów spektrometrii neutronów o energiach w zakresie 1-15 MeV.

c) metoda czasu przelotu. Dla neutronów prędkich jest trudniejsza do zrealizowania ze względu na duże prędkości i krótsze czasy przelotu (czas w obszarze nanosekund).


Gdzie t jest czasem przelotu, L jest długością drogi neutronów, a E ich energią.

Metoda ta jest najczęściej stosowaną w spektrometrii neutronów prędkich.
Energetyczna zdolność tej metody:

.

t jest niepewnością wyznaczenia czasu przelotu, t czasem przelotu, E energią neutronów. Składa się na: czas trwania impulsu przerywanej wiązki neutronów, nieokreśloność czasowa momentu detekcji związana z grubością detektora, nieokreśloność czasu związana z fluktuacjami czasu między przejściem cząstki a pojawieniem się impulsu.

Dla impulsowania wiązki neutronów wykorzystuje się przerywanie strumienia cząstek z akceleratora, wytwarzających neutrony w jakiejś reakcji jądrowej. Metody:
1. Periodyczne odchylanie wiązki w zmiennych polach elektrycznych lub magnetycznych i wycinanie przesłonami odpowiednich impulsów.
2. Wytwarzanie początkowo impulsu jonów o stosunkowo dużej długości, a następnie stosując odpowiednie, zmienne pola elektryczne skraca się go do znacznie mniejszej długości.
3. Zastosowanie kombinacji zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego.

Rozmycie czasowe w metodzie czasu przelotu jest związane z grubością detektora LD:

,
gdzie:
t - rozmycie czasowe w metodzie czasu przelotu, - prędkość neutronów, t - czas, L - długość drogi neutronów.

Można je zmniejszyć redukując grubość detektora, jednakże obniża się przy tym wydajność liczenia.

Na górę

Strona główna