Delist.ru

Исследование деления ядер урана и плутония при низких энергиях возбуждения (20.08.2007)

Автор: Рябов Юрий Васильевич

Таким образом, знаменатель выражения (IV-1) представляет собой число зарегистрированных актов деления, а числитель - соответствующее число зарегистрированных нейтронов. знаменатель выражения (IV-1) представлял собой просто число отсчётов камеры за вычетом фона в пределах рассматриваемого резонанса. Величина "постоянного фона" для большинства резонансов не превышала ~3% (U-235) и ~10% (Pu-239) от полного счёта по резонансу. Максимальная величина "переменного фона" достигала ~ 5% для некоторых сильных резонансов Pu-239 в измерениях с толстыми образцами. Для сопоставления набора значений i в различных сериях измерений рассматривалась величина i / , где в знаменателе через <> обозначено усреднение по всем исследованным резонансам. Эта величина в разумном предположении постоянства ?n от резонанса к резонансу соответствует вариациям ?i . Результаты измерений ?i/ для отдельных резонансов U-235 и Pu-239 при внимательном их анализе группируются около двух значений, одно из которых больше, а другое меньше единицы. Особенно это хорошо видно для Pu-239. При нормальном распределении величин ?i/ в каждой группе суммарное распределение можно было бы представить в виде суперпозиции двух перекрывающихся распределений Гаусса. Описание экспериментального распределения суммой двух распределений Гаусса на ЭВМ методом наименьших квадратов дало следующие значения средних ?i/ для соответствующих двух групп U-235 0.984 ±0.010 и 1.006±0.011 (?2=3.45) и Pu-239 0.97±0.02 и 1.013±0.011 (?2=1.59). Доверительная вероятность такого разделения на две группы по критерию ?2 на уровне 0.65 для U-235 и 0.8 для Pu-239. Для получения математической обоснованности связи между значениями ?i/ и параметрами резонансов, а также другими характеристиками деления этих ядер в переходном состоянии, рассчитывались соответствующие коэффициенты корреляции. Значения коэффициентов корреляции подтверждают то, что относительный выход среднего числа мгновенных нейтронов на акт деления в отдельных резонансах коррелирует с g-фактором, т.е. спином уровня, антикоррелирует с делительной шириной, которая в среднем также связана со спином уровня, и не зависит от величины сечения деления в резонансе. Отсюда следует, что была обнаружена, по-видимому, глубокая связь между двумя последовательными стадиями процесса деления: переходными состояниями ядра при критической деформации, с одной стороны, и моментом разделения на два осколка и их разлетом, с другой.

Для того, чтобы проверить возможности использования этих методик для измерения выхода мгновенных нейтронов деления в резонансной области энергий по методу времени пролета, были предложены и проведены эксперименты на TOF-спектрометре высокого разрешения в CEN Сакле (Франция). Для этого использовались четыре жидкостных сцинтилляционных PSD-детектора (сцинтиллятор NE-213) диаметром 12 см и толщиной 7 см каждый с ФЭУ XP 1040, расположенные вне пучка в плоскости перпендикулярной его направлению. Мишень металлического Pu-239 размером 100 см2 и поверхностной плотностью 0.1 г/см2 (2.5х10-4 ат/барн) помещалась на оси тщательно коллимированного нейтронного пучка в едином с PSD-детекторами вакуумном объеме. Схема разделения при регистрации мгновенных нейтронов деления позволяла режектировать ?-лучи на уровне 10-4 и эффективном пороге в нейтронном канале ~1 МэВ. В этих условиях эффективность регистрации мгновенных нейтронов деления для одного детектора составляла ~1%. Были использованы два канала регистрации временного кодировщика «INTERTECHNIK HC-25». В одном банке памяти накапливалась через схему «или» информация непосредственно с 4-х PSD-детекторов (суммарный канал - «s-канал»), а в другом – со схемы совпадений, которая отбирала двукратные совпадения и совпадения высшей кратности (канал совпадений – «с» -канал). После проведения измерений vi(Еn) , подобные измерения различными методами были проведены в Ок Ридже, Ливерморе, РПИ, Геле. Сравнение результатов при согласии средних по низкоэнергетической области энергий показывает большой статистический разброс в области выше 100 эВ, где сказывается влияние энергетического разрешения по времени пролета различного в рассматриваемых работах..

( Глава V) Как отмечалось выше, величина энергетической щели составляет 1.5-2.0 МэВ. Следовательно, энергетически возможны радиационные переходы между состояниями, соответствующими каналам с определенными значениями К и ? и, и после испускания ?-кванта соответствующей мультипольности, открывается лежащий ниже канал другой четности, что может увеличивать вероятность деления. Особенно этот эффект должен быть хорошо заметен для каналов деления, расположенных выше энергии связи в составном ядре. В этом случае, деление для такого канала является «чисто» подбарьерным и его делительная ширина близка к нулю. Но, после испускания ?-кванта, у ядра остается еще достаточно энергии возбуждения, чтобы разделиться через соответствующий по К и ? низколежащий канал. Теоретические расчеты вероятности такого двухступенчатого процесса, названного (n,?f)-реакцией, были сделаны в ряде работ. Для оценки ширины такого (n,?f)-процесса необходимо было вычислить часть первичного спектра ?-лучей, приводящего к промежуточным состояниям , которые лежат выше соответствующего порога деления. В наиболее корректных расчетах Дж. Линна первичный ?-спектр вычислялся с учетом энергетической зависимости плотности уровней в области ?-перехода в модели Ньютона, ядерной температуры по Лангу и энергетической зависимости среднего квадрата матричного элемента для вероятности перехода между начальным состоянием при энергии связи и конечным состоянием наинизшего канала, доступного по К и ?. Сечения взаимодействия S-нейтронов с ядрами U-235 и Pu-239 приводят к состояниям составного ядра с полным угловым моментом и четностью 3-,и 4- и 0+ и 1+, соответственно. После испускания электрического или магнитного дипольного ?-кванта, для деления становятся доступными промежуточные состояния, соответствующие спину и четности [(J-1), J, (J+1)]-? [(J-1), J, (J+1)]?. Из рассмотрения спектра каналов в седловой точке были получены оценки ширин Г?f : ~1.5 мэВ (4-) и ~3 мэВ (3-) для U-235 и ~3 мэВ (1+) и ~7 мэВ (0+) для Pu-239. Вклад магнитных дипольных переходов оказался пренебрежимо малым для U –235 и не больше

1 мэВ (1+) для Pu-239. Если сравнить оцененные Г?f со средними делительными ширинами <Гf>(4-) = 26±6 мэВ и <Гf>(3-) = 87±20 мэВ для U-235 и <Гf>(1+) = 44±13 мэВ и <Гf>(0+) = 295±148 мэВ для Pu-239, то можно видеть, что делительная ширина двухступенчатого процесса составляет заметную часть средней делительной ширины, особенно для резонансов со спином 4- (U-236) и 1+(Pu-240). На распределении Портера-Томаса для делительных ширин хорошо видно, что не хватает малых величин ширин для лучшего согласия эксперимента с расчетом. Кроме того, экспериментально не наблюдаются делительные ширины меньше ~3 мэВ. Несмотря на то, что все это, казалось бы, стимулировало постановки экспериментов по поиску такого двухступенчатого процесса в делении, не было даже попыток провести такие измерения из-за малости исследуемого сечения и методических трудностей при использовании времяпролетной спектрометрии. Первые попытки таких измерений были предприняты на TOF-спектрометре ЛНФ ОИЯИ в 1968 г., используя метод множественной регистрации ?-квантов деления, и была установлена верхняя граница этой реакции на уране-235 и плутонии-239. В последующие годы была проведена серия экспериментов с целью обнаружить (n,?f)-реакцию и оценить ее вероятность с использованием различных экспериментальных методик на времяпролетных спектрометрах ЛНФ ОИЯИ (Дубна) и CEN Saclay (Франция). Испускание предделительного ?-кванта (или ?-квантов) в пределах «энергетической щели» приводит к делению ядра через низколежащее переходное состояние. Т.к. часть энергии возбуждения делящегося ядра реализована в виде ?-излучения, то в соответствии с моделью, обсуждаемой выше, это должно приводить к уменьшению энергии возбуждения осколков деления, т.е. к уменьшению среднего числа мгновенных нейтронов vi. для отдельных резонансов. Тогда для множественности ?-квантов и их полной энергии, а также множественности мгновенных нейтронов деления, при существовании (n,?f)-реакции можно написать три соотношения:

(V-1)

- средняя множественность и полная энергия ?-квантов прямого деления, соответственно, и множественность мгновенных нейтронов деления при отсутствии (n,?f)-реакции, Гf , Г?f -полная ширина деления и (n,?f)-реакции. Зависимость vn от энергии возбуждения, т.е. от энергии взаимодействующего нейтрона при энергиях в несколько МэВ, измерялась во многих работах и известна довольно хорошо. Зная эту зависимость и измеряя множественность и полную энергию ?-квантов и мгновенных нейтронов деления, можно оценить ширину (n,?f)-реакции и среднюю энергию предделительных ?-квантов. При анализе экспериментальных результатов хорошо видно, что это ?-излучение антикоррелирует с vi .

Аналогичные результаты были получены в CEN Сакле и подтверждены измерениями других лабораторий.

Из всех расчетов по экспериментальным данным Сакле и Дубны была получена величина <Е?f> =(770±70) кэВ –средняя энергия предделительных ?-квантов и, соответственно, Г?f1+ = (3.8±0.9) мэВ , что является первой экспериментально полученной оценкой ширины (n,?f)-процесса для ядра Pu-239. Позднее эти величины были уточнены <Е?f> =(1080±50) кэВ и Г?f1+ = (4.2±0.9) мэВ для резонансов со спином 1+ и <Е?f> =(1100±50) кэВ и Г?f0+ = (7.3±1.8) мэВ для резонансов со спином 0+. По экспериментальным данным, полученным в Дубне, <Е?f> =(1210±150) кэВ и Г?f1+ = (3.2±1.1) мэВ и Г?f0+ = (4.5±2.3) мэВ. Хорошо видно, что согласие удовлетворительное.

Подводя итог, следует отметить, что экспериментальные данные о (n,?f)-реакции, полученные в работах Дубны и Дубны-Сакле, а также в работах Гатчины и Ок-Риджа, с большой надежностью позволяют утверждать, что существование этой реакции является экспериментально доказанным фактом. Это следует и из того, что наблюдаемые в резонансной области энергий нейтронов эффекты, связанные с множественностью и полной энергией ?-квантов деления, а также с множественностью мгновенных нейтронов деления, можно интерпретировать самосогласованно единым образом, как проявление (n,?f)-реакции в ее конкуренции с прямым делением в переходных состояниях в пределах энергетической щели.

(Глава VI) Импульсные источники нейтронов в настоящее время широко используются в различных областях науки и техники. Основная область их применения в нейтронной физике - это нейтронная спектроскопия, использующая метод времени пролета. Именно этот метод в настоящее время обеспечивает наиболее высокую степень монохроматизации нейтронов пучка в широкой энергетической области от тепловых нейтронов до нейтронов с энергией в сотни МэВ, что позволяет проводить широкий круг исследований в области ядерной физики, физики элементарных частиц и конденсированного состояния, в области физики и технологии ядерных реакторов, а также решать широкий круг чисто прикладных задач (активационный анализ, радиационное испытание материалов и т.д.).

По проекту ММФ в Экспериментальном зале (рис.2) на основе Устройства Гашения Пучка (УПГ) была сооружена установка для радиационного испытания материалов РАДЭКС (РАДиационный ЭКСперимент) при больших плотностях нейтронного потока и рекордных интегральных дозах. Нетрудно видеть, что при достигнутых сегодня параметрах протонного ускорителя УПГ не может использоваться эффективно по своему прямому назначению. Принимая во внимания конструктивные особенности Установки УГП 1.00.000, удачное место ее расположения в центре Экспериментального зала здании 25 ЭК ММФ по направлению (на линии) ввода протонного пучка было решено расширить функциональные возможности этой установки, использовав ее в качестве интенсивного импульсного источника нейтронов.

В состав новой нейтронопроизводящей конструкции мишени, введенной в эксплуатацию сегодня, входят:

1. Мишень, состоящая из 13-W-пластин (300х160х6) с титановым антикоррозийным покрытием. Толщина набора пластин по направлению падающего протонного пучка рассчитана на полное поглощение протонов с энергией до 400 МэВ.

2. Замедлитель – это та же вода, что используется в качестве теплоносителя. Толщина замедлителя составляет 3 см. Конструктивными материалами обечаек и кассеты мишени и корпуса замедлителя являются сплавы АМГ-3 или АМГ-6.

3. Над кассетой с мишенью установлена металлическая защитная пробка высотой 3м, состоящая из набора железных блинов. Ось протонного пучка смещена вверх относительно центра W пластин на 50мм.

Как отмечалось выше, основой современного импульсного источника является ускоритель, в последних проектах – протонный.

Линейный ускоритель ускоряет ионы водорода и является базовой установкой Московской мезонной фабрики ИЯИ РАН. В настоящее время он имеет следующие параметры (и проектные):

Энергия протонов 209 МэВ………… ……(600 МэВ)

Импульсный протонный ток до 16 мА . ……………… (50 мA )

Частота посылок протонных импульсов 1- 50 Гц… ……………… .(100 Гц)

Длительность протонных импульсов 0.25-200 мкс.

TOF-спектрометр состоит из следующих основных частей :

W-мишень, оптимизированная для поглощения протонного пучка

c энергией до 400 МэВ при среднем токе до 250 мкА.

Водяной замедлитель для формирования нейтронного спектра в области медленных и резонансных нейтронов.

Вакуумные времяпролетные каналы (три горизонтальных и один вертикальный).

Ловушки нейтронных пучков.

Биологическая защита нейтронного источника и экспериментальных зон.

Детектирующая аппаратура и система сбора, накопления и обработки экспериментальной информации.

На рис.2 показаны импульсный источник и времяпролетные вакуумные каналы. Имеются 6 экспериментальных зон для размещения регистрирующей аппаратуры. Для исследований по времени пролета структура нейтронного пучка должна соответствовать требованиям эксперимента. Нейтронные импульсы должны иметь малую длительность для получения высокого энергетического разрешения и относительно малую частоту, чтобы избежать наложения рецикличных нейтронов. Поэтому режимы работы нейтронного спектрометра должны отличатся в области медленных и резонансных нейтронов. В первом случае длительность импульса может быть равной 10-100 мкс, а во втором – на 1-2 порядка меньше.

Стандартная длительность импульса равна 60 мкс и меньшие длительности получаются с помощью прерывателя (чоппера) в ионном источнике протонного пучка путем вырезания до минимальной длительности 0.25 мкс с пропорциональной потерей интенсивности. В стандартном режиме максимальный интегральный поток нейтронов из мишени может достигать величины (1-3)x1015 n/s?4(. Расчет показывал, что на поверхности замедлителя плотность потока нейтронов могла достигать 2х1011 н/cм2 в энергетическом диапазоне 0.0253 эВ до 100-300 KэВ .

Были измерены энергетические зависимости плотности потока нейтронов на поверхности замедлителя в области энергии нейтронов ниже 100 КэВ в различных режимах

Рис.2. Схема расположения TOF-спектрометра ТРОНС в Экспериментальном зале. Показаны горизонтальные нейтронные каналы, защита и экспериментальные зоны для размещения аппаратуры.

работы ускорителя. Энергетическая зависимость хода нейтронного потока близка к зависимости 1/Еn. Флюенс нейтронного потока нейтронопроизводящей мишени представлен на рис.3. Хорошо видно, что в области медленных нейтронов TOF-спектрометр не уступает по своим параметрам современным импульсным нейтронным TOF-спектрометрам. В резонансной же области, где необходимо высокое энергетическое разрешение, он, естественно, уступает лучшим установкам такого типа.

Следует учитывать уникальные характеристики этого TOF-спектрометра. Минимальное расстояние до источника генерации нейтронов составляет всего 4 м, что в случае необходимости позволяет использовать значительные плотности нейтронов на исследуемых мишенях. Кроме того, можно изменять энергетическое разрешение не изменяя пролетного расстояния от нейтронного источника, т.е. не нужно перемещать регистрирующую аппаратуру с этой целью.

И наконец следует отметить, что использование ловушки протонного пучка в качестве импульсного источника оказалось удачным и позволяет проводить и планировать постановку фундаментальных исследований (Таблица II).

Совершенствование протонного ускорителя (Энергия пучка 400-500 МэВ, средний ток 150-250 мкА) позволит TOF-спектрометру ИЯИ РАН стать одним из лучших по своим параметрам.

Рис.3. Результаты измерений флюенса нейтронов импульсного источника. Точка с большой ошибкой получена активационным методом. Основная проблема измерений с нейтронными детекторами заключалась в нормировке результатов на калиброванный ток протонов. Линейная зависимость (сплошная линия) рассчитана по эмпирической формуле.

В Заключении (Глава VII) сформулированы основные результаты и выводы данной работы:

1. Исследования процесса деления ядер вблизи вершины барьера деления (при возбуждениях близких энергии связи нуклона в составном ядре) позволяют изучать переходные состояния в модели О.Бора, соответствующие состояниям с различными квантовыми характеристиками (J, ?, K)

загрузка...