Нейтронные сечения и их интегральные характеристики в резонансной и тепловой областях энергий

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................................;........5
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА...............................................9
Введение............................................................... 9
1.1. Экспериментальная установка ПАРУС для исследования резонансной структуры
и допплер-эффекта в нейтронных сечениях и отношениях сечений...........11
1.1.1. Нейтроноводы и коллимационная система.........;......................12
1.1.2. Образцы, манипуляторы образцов, устройства для нагревания и охлаждения образцов....................................................................14
1.1.3. Мониторы, детекторы нейтронов и гамма-лучей..........................19
1.1.4. Измерительный модуль.................................................22
1.2. Экспериментальная установка РОМАШКА для измерения спектров кратности гамма-лучей, резонансных параметров нейтронных сечений и отношений сечений....................................................................23
1.3. Установка для исследования энергетических спектров гамма-квантов при радиационном захвате нейтронов и делении ядер..............................25
1.3.1. Детекторная система..................................................26
1.3.2. Система накопления информации.................:......................27
1.3.3. Программное обеспечение..............................................29
1.4. Быстродействующие ионизационные камеры деления со слоями ^Зи и .......30
1.4.1. Камера деления со слоями 23 и........................................30
1.4.2. Камера деления со слоями 9Ри.........................................32
1.5. УстановкаТЭКС для исследования полного сечения и сечения рассеяния....34
1.6. Установка на основе механического прерывателя нейтронов для монохроматизации нейтронов и укорочения нейтронной вспышки ИБР.............36
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ
СЕЧЕНИЙ ИЗОТОПОВ НГ, Бт, Бл, 1п........................................40
Введение................................................................40
2.1. Методика исследования резонансных параметров...........................41
3
2.2. Резонансные параметры изотопов Н£........................................43
2.3. Резонансные параметры изотопов Бт........................................46
2.4. Резонансные параметры изотопов 5п........................................58
2.5. Исследование резонансных параметров изотопов 1п по методу множественности гамма-лучей...................................................................63
2.6. Определение спинов изотопов 1п по методу заселенности низколежащих уровней.68
ГЛАВА 3. НЕЙТРОННЫЕ СЕЧЕНИЯ И ИХ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
N1), Мо, \У, РЬ, 232ть,и8и............................................... 72
3.1. Экспериментально-расчетная методика исследования резонансной структуры полных и парциальных сечений..................................................72
3.2. Функции пропусканий, полные и парциальные сечения и их факторы резонансной блокировки, резонансные параметры для 93ЫЬ........................73
3.3. Функции пропусканий, полные и парциальные сечения и их факторы резонансной блокировки для Мо.............................................................86
3.4. Измерение полных пропусканий, функций самоиндикации в рассеянии и получение
из них полных сечений, факторов блокировки, резонансных параметров для \У.91
3.5. Функции пропусканий и полные сечения для РЬ..............................97
3.6. Измерение полных пропусканий и функций самоиндикации, определение нейтронных сечений, факторов резонансной блокировки и допплер-эффекта в них для 232ТЬ....99
3.7. Измерения полных пропусканий, функций самоиндикаций, допплер-эффекта в них, и определение средних резонансных параметров, нейтронных сечений и факторов резонансной блокировки для 23*и..............................................108
3.8. Корреляционные эффекты в нейтронных сечениях и*и и ^Ри..................118
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ СТРУКТУРЫ НЕЙТРОННЫХ
СЕЧЕНИЙ И ВЕЛИЧИНЫ АЛЬФА ДЛЯ 235и,239Ри..................................120
Введение.................................................................120
4.1. Методика измерения спектров кратности излучений и величены альфа для “35и...120
4.2. Методика измерения резонансной блокировки и допплер-эффекта в величине альфа 235и...................................................................128
4.3. Методика измерения величины альфа для И51ї в области энергий тепловых нейтронов I мэВ-2эВ....................................................135
4.4. Методика исследования резонансной структуры и допплер-эффекта нейтронных сечений a5U в области энергий 2.15эВ-200кэВ.................139
4.5. Измерение спектров кратности излучений и величены альфа для ^^Pu..146
4.6. Исследование эффекта резонансной блокировки и допплер-эффекта в величине альфа для а9Ри.........................................................156
4.7. Исследование резонансной структуры и допплер-эффекта нейтронных сечений 239Ри в области энергий 2.15 эВ - 200 кэВ..............................161
ГЛАВА 5. МЕТОДИКИ ИСЛЕДО В АЛИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОНА С
ГРАВИТАЦИОННЫМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЯМИ..............................169
Введение...........................................................169
5.1. Гравитационный монохроматор нейтронов.............................170
5.2. Характеристики гравитационного спектрометра нейтронов.............171
5.3. Измерение ускорения силы тяжести свободно падающих нейтронов......177
5.4. О возможности измерения электрического заряда нейтрона............183
5.5. Нейтронный монохроматор на основе эффекта силы Кориолиса..........187
ГЛАВА 6. МЕТОДИКА ИСЛЕДОВАНИЕ (п-п)- ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.........................190
Введение...........................................................190
6.1. Исследование нейтрон-нейтронного взаимодействия с помощью метода догоняющих нейтронов...................................................191
6.2. Механика упругого нейтрон-нейтронного рассеяния в методе догоняющих нейтронов..............................................................195
6.3. Расчетные и экспериментальные характеристики нейтрон-нейтронного взаимодействия, полученные по методу догоняющих нейтронов..............200
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................214
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................218
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. Развитие различных направлений науки и техники, связанных с использованием радиоактивных излучений, предопределило широкий фронт исследований по изучению как самих излучений, так и характеристик взаимодействия излучений с различными материалами. В процессе этих исследований и практического применения радиоактивных излучений получен громадный объем информации, выработаны требования к точности различных ядерно-физических характеристик на основе потребностей для теории и практики. Особенно высоки требования к точности ядерно-физических констант, которые используются при расчете ядерных энергетических установок, утилизации отходов атомно-энергетического производства и защиты от радиоактивных излучений. Это важно, поскольку связано со значительными материальными затратами, загрязнением окружающей среды, ядерной безопасностью. В частности, нейтронные сечения топливных и сырьевых материалов должны быть известны в некоторых энергетических диапазонах при уровне погрешностей не более долей процента [1,2,3], а для конструкционных материалов на уровне нескольких процентов. Пока требуемые точности остаются еще недостижимыми для большинства реакторных материалов, а для некоторых изотопов экспериментальные данные вообще отсутствуют. До сих пор недостаточно экспериментальной информации по резонансным параметрам ( радиационным и делительным ширинам, спинам возбужденных уровней, силовым функциям) для всех изотопов. До наших измерений фактически отсутствовали экспериментальные данные по факторам резонансной блокировки и допплер-эффекту в сечениях деления, радиационного захвата, рассеяния даже для основных реакторных материалов - изотопов урана, тория, плутония. Эти ядерно-физические константы необходимы для уточнения теоретических моделей ядра и требуются при расчете основных характеристик атомных реакторов (критмассы, температурных коэффициентов реактивности, коэффициентов воспроизводства ядерного топлива и др). Следует отметить, что на важность учета эффектов резонансной блокировки в нейтронных сечений при расчете ядерных энергетических установок впервые обратил внимание И.И.Бондаренко, автор идеи и один из создателей многогрупповой системы констант БНАБ. Первые эксперименты по изучению эффектов резонансной блокировки в полных сечениях были начаты под руководством М.Н.Николаева в ФЭИ и ОИЯИ в конце 50-х годов. Затем с 1965г при участии автора диссертации стали проводиться более широкие исследования эффектов резонансной
блокировки и допплер-эффекта в полных и парциальных нейтронных сечениях на импульсном быстром реакторе ИБР-30 ЛНФ [4, 5, 6] в рамках совместной работы сотрудников ФЭИ, ОИЯИ, специалистов из Германии, Болгарии, Польши и др. стран. Что касается измерения нейтронных сечений и резонансных параметров, то основная часть информации по этим величинам была получена в 50-е - 70-е годы 20-го столетия на импульсных источниках нейтронов типа ОЯЕЬА, СЕЫКА с высоким разрешением Д1/1 > 0.04 нс/м в широком диапазоне энергий от 1 эВ до нескольких МэВ, на спектрометрах типа ИБР-30 с невысоким разрешением А!/1 > 4 нс/м в области энергий 1 эВ - 200 кэВ [7-22] и на других источниках нейтронов. Несмотря на имеющийся большой объем информации по нейтронным константам, получение новых данных остается актуальной задачей, требуются более точные нейтронные сечения и другие величины для расчета перспективных атомных реакторов.
Изучение отмеченных выше констант взаимодействия нейтронов с ядрами различных материалов предполагает также уточнение наших знании о свойствах нейтрона.
Так, для подтверждения гипотезы зарядовой независимости ядерных сил, совершенствования теории гравитации, для обнаружения возможного электрического заряда нейтрона необходимо использовать прямые методы измерения количественных характеристик (п-п)-взаимодсйствия, взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями. Работы по этому направлению актуальны, поскольку имеются значительные расхождения в отмеченных величинах, измеренных непрямыми методами.
Целью настоящей диссертации является, разработка и внедрение новых методик измерения ядерно-физнческих констант; создание новой более совершенной экспериментальной техники, в том числе, надежных спектрометров нейтронов и у-лучей для исследования слабо изученных резонансных параметров изотопов НГ, Бт, Бп, 1п и др, для изучения эффектов резонансной блокировки и допплер-эффекта в полных и парциальных нейтронных сечениях N6, Мо, \У, РЬ, 232ТЬ, ^и, 233и, 239Ри; измерение и анализ новых групповых нейтронных сечений и их интегральных характеристик для конструкционных и топливно-сырьевых реакторных материалов в области энергий тепловых и резонансных нейтронов; разработка прямых методов исследования количественных характеристик (п-п)-взаимодействия, взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями, измерение сечения упругого (п-п)-рассеяния, ускорения силы тяжести свободно падающих нейтронов и верхнего предела электрического заряда нейтрона.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что созданная экспериментальная техника, приборы, разработанные методики и полученные на их основе экспериментальные данные по резонансным параметрам, полным и парциальным нейтронным сечениям, величине альфа, фаюорам резонансной блокировки и допплер-эффекту в них для основных реакторных материалов позволяют уточнить и дополнить оцененные нейтронные константы в справочной литературе и в имеющихся библиотеках. Эти константы имеют важное значение для решении проблемы ядерной безопасности, трансмугации отходов атомной промышленности, при создании перспективных энергетических ядерных и термоядерных установок, для уточнения теоретических положений ядерной и реакторной физики.
Научная новизна исследований и методических разработок диссертации состоит в том, что они впервые в мире были реализованы дзя большинства обсуждаемых тем. Впервые были созданы уникальные быстродействующие ионизационные камеры деления с большим содержанием делящегося вещества; устройства для охлаждения, нагревания и перемещения массивных образцов-фильтров, которые не искажают своими конструкционными элементами спектр нейтронного пучка. Впервые измерены эффекты резонансной блокировки в полных сечениях 238и, 23511, а9Ри и в парциальных сечениях рассеяния, радиационного захвата и деления для ЫЬ, Мо, V/, 232ТЬ, 238и, 235и, 239Ри, получен большой объем новой информации по нейтронным групповым сечениям, факторам резонансной блокировки и их температурной зависимости, величине альфа в энергетических группах и в большом количестве разрешенных резонансов. Впервые разработана и использована методика исследования допплер-эффекга и эффекта резонансной блокировки в полных пропусканиях и величине альфа для 232ТЬ, 23811, 235и, 239Ри. Впервые определены резонансные параметры для 386 разрешенных резонансов изотопов ,76-1Т7*,79нГ, 147,148,1 <98пз, И7,|,98п, из,П51п и получены новые средние резонансные параметры для 93ЫЬ, \У, 232ТЬ, 238и. Впервые предложены и созданы гравитационные многощелевые монохроматоры для исследования взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями, что позволило измерить ускорение свободного падения нейтрона (980.1 ±1.1 см/с2) с минимальной погрешностью. Впервые предложен и опробован прямой метод догоняющих нейтронов для исследования нейтрон- нейтронного взаимодействия.
На защиту диссертации выносится следующие основные положения и результаты.
1. Разработка и создание: оригинальных спектрометрических установок ПАРУС, РОМАШКА, ТЭКС с многосекционными детекторами гамма-лучей и нейтронов; устройств для нагревания и охлаждения массивных образцов-фильтров; быстродействующих ионизационных камер деления с большим содержанием 235и и Ри; перспективной установки на основе механического прерывателя нейтронов для монохроматизации нейтронов и укорочения нейтронной вспышки ИБР-2; оригинальных гравитационных монохроматоров для ислсдования взаимодействия нейтрона с гравитационным и электрическим полями; прямого метода исследования нейтрон-нейтронного взаимодействия.
2. Методики измерения и обработки полных пропусканий и функций самоиндикаций в сечениях рассеяния, радиационного захвата и деления.
3. Метод измерения спектров кратности совпадений гамма-лучей и методики определения сечений радиационного захвата, деления, величины альфа, коэффициентов резонансной блокировки и допплер-эффекга в них для N1), Мо, V/, 232ТЬ, 23*и, 23513 и 239Ри.
4. Результаты измерения резонансных параметров (Ео , <К>, 3, Гп , Гу, Б0) для изотопов 17б,177,179|_|^ ,47*148-,49$т,117,119Бп, пз*,,51п в области энергий разрешенных резонансов.
5. Результаты измерения групповых полных пропусканий и функций самоиндикации, средних резонансных параметров, групповых сечений, величины альфа, факторов резонансной блокировки и допплер-эффскт в сечениях N6, Мо, V/, РЬ, 232ТЬ, 23 8и, 235и,23 Ри.
Личный вклад автора. Все методические разработки и экспериментальные исследования проведены в основном по инициативе, под руководством и личном участии автора, который возглавляет научно-исследовательскую группу по нейтронной спектрометрии с 1983г до сих пор. Все результаты, выносимые на защиту , получены либо лично автором, либо при непосредственном участии автора. Анализ всего материала диссертации выполнен автором.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных семинарах, конференциях и опубликованы в виде 56 статей и докладов в реферируемых журналах, в трудах семинаров и конференций. Большая часть полученных данных включена в справочную литературу. Разработанные автором устройства и методики нашли применение в экспериментальной физике.
9
ГЛАВА Г ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА Введение
Для исследования различных процессов взаимодействия нейтронов с ядрами реакторных материалов и энергетическими полями использовались в основном импульсные источники нейтронов ИБР-30 [4, 5], ИБР-2 [6] Объединенного института ядерных исследований в г. Дубна и специально созданная разнообразная экспериментальная техника: ионизационные камеры деления, детекторы нейтронов и у-лучей, устройства для нагревания и охлаждения образцов, манипуляторы образцов, механические прерыватели нейтронов, коллимационные системы для формирования нейтронных пучков, электронные системы для накопления экспериментальной информации и программы для ее обработки.
Источник нейтронов ИБР-30 во время измерений, описываемых в данной диссертации, работал в реакторном режиме при средней тепловой мощности 15 кВт, длительности нейтронной вспышки т = 70 мке, частоте следования вспышек 4 Гц ив бустерном режиме, т.е. с линейным ускорителем электронов в качестве инжектора нейтронов, что позволяло получать нейтронные вспышки длительностью т = 4мкс на полувысоте при коэффициенте умножения нейтронов К=Ю0, частоте следования нейтронных вспышек Г=100 Гц, средней тепловой мощности 10 кВт.
■ Общая схема расположения экспериментальных установок на нейтронных пучках ИБР-30 представлена на рис.1. Короткие пролетные базы этого источника длиной до 120 м использовались, как правило, для измерений времяпролетных спектров в области низких энергий 1 эВ - 21.5 кэВ с энергетическим разрешением 0.1 - 5 %, а длинные пролетные базы длиной до 1000 м использовались в диапазоне энергий 0.1 - 200 кэВ, когда требовалось более хорошее энергетическое разрешение 0.1 -5 % на высоких энергиях. ИБР-30 обеспечивал хорошее энергетическое разрешение только в диапозоне энергий 0.1 - 200 эВ, которое сравнимо с разрешением на электронных ускорителях и мезонных фабриках.
Для проведения измерений в тепловой области энергий нейтронов использовался импульсный быстрый реактор ИБР-2 при работе на средней тепловой мощности 1.5 МВт, ширине нейтронных вспышек на полувысоте т=320 мке и частоте следования вспышек 5 Гц. Общая схема расположения установок на нейтронных пучках ИБР-2 изображена на рис.2.
\пучок З
Рис. 1. Общая схема экспериментальных установок на нейтронных пучках ИБР - ЗО:
1 - установка ТЭКС; 2 - установка РОМАШКА; 3 - образец - фильтр; 4 - монитор; 5 - активная зона ИБР-30; 7 - нейтроноводы; 8 - 6-й секционный жидкостный (п, у) - детектор; 9 - установка ПАРУС; 10 - установка с камерой деления и НРОе-детектором.
.Как видно из рис.1, основные установки ТЭКС и РОМАШКА находились соответственно на 1000 м и 500 м пролетных базах 6-го нейтронного пучка, ПАРУС - на 122 м базе 3-го пучка, камера деления с ИРве- детектором - на 60 м базе 5-го пучка ИБР-30. Нейтронные детекторы в виде батарей борных и гелиевых счетчиков находились на всех нейтронных пучках за основными установками. На них измерялись полные пропускания.
В некоторых измерениях НРСе- детектор устанавливался на 122 м и 500 м пролетных базах 3-го и 6-го нейтронных пучков ИБР-30, а также на 30 м пролетных базах 1-го и 6-го нейтронных пучков ИБР-2. Мониторный счетчик находился постоянно во время всех измерений на 75 м пролетной базе 6-го пучка ИБР-30, на других пучках он устанавливался по мере необходимости. Гравитационные монохроматоры сооружались на длинных пролетных базах 6-го пучка ИБР-30. Тестовые измерения по (п-п)- взаимодействию проводились на пролетных базах 3, 5, 6 пучков ИБР-30. Измерения с механическим прерывателем нейтронов проводились на 30 м пролетной базе 6-го пучка ИБР-2.
11
Рис. 2. Общая схема экспериментальных установок на нейтронном пучкеИБР-2:
1 - 6 (6Ь) - нейтронные пучки; 7 - установка с НРбе - детектором у - лучей, нейтронным детектором и механическим прерывателем нейтронов;
8 - зеркальные нейтроноводы, 9 - установка с НРве - детектором у - лучей и нейтронным детектором; 10 - активная зона ИБР-2 и биологическая защита. Некоторые тестовые эксперименты проводились также на нейтронных пучках Первой Атомной станции Физико-энергетического института в г. Обнинске.
1.1. Экспериментальная установка ПАРУС для исследования резонансной структуры и допплер-эффекта в нейтронных сечениях и отношениях сечений Разработанная и созданная нами экспериментальная установка ПАРУС [7] изображена на рис. 3. Она включала в себя: вакуумированный нейтроновод, коллиматоры нейтронов в разрывах нейтроновода, манипулятор образцов-фильтров, устройства для нагревания и охлаждения образцов, различные типы детекторов нейтронов и гамма-лучей с защитой из свинца, спектрометрическую электронную аппаратуру и измерительный модуль с персональным компьютером типа РС/АТ-386 для накопления и обработки информации. Установка находилась на 3-ем нейтронном пучке ИБР-30. Она использовалась для
12
исследования резонансной структуры полных и парциальных нейтронных сечений, отношений сечений, эффекта резонансной блокировки и допплер-эффеюа в сечениях, пропусканиях и функциях самоиндикации в диапазоне энергий от 1 эВ до 200 кэВ.
#
Рис.З. Общий вид установки ПАРУС на 3-м нейтронном пучке ИБР-30:
1- резонансный фильтр, 2, 4, 8 -коллиматоры, 3 - образец-фильтр, 5 - свинцовая защита, 6 - 16-секционный жидкостный (п,у)- детектор , 7-образец-радиатор, 9 -нейтронный детектор.
1.1.1. Нейтроноводы и коллимационная система
Для прохождения нейтронного пучка с минимальными потерями на пролетной базе обычно использовались вакуумированные нейтроноводы. На нейтронных пучках ИБР-30 были установлены стандартные нейтроноводы в виде стальных труб разной длины диаметром 40 см и 80см с алюминиевыми заглушками толщиной 2.5 мм. Оптическая ось нейтроноводов проходила на высоте примерно 120 см от поверхности пола в экспериментальных павильонах. Длина пролетной базы на третьем пучке от реактора до ловушки нейтров ровнялась 124 метрам. Все участки нейтроновода на этом пучке имели диаметр трубы 80 см, давление остаточного газа в них составляло 0.01 Topp. В разрывах
нейтроновода на расстояниях ЗО м и 60 м от реактора на специальных подставках были установлены коллиматоры в виде дисков различной толщины с коллимирующими отверстиями диаметром 80 мм. Коллиматоры представляли дисковые контейнеры с внешним диаметром 90 см, заполненные смесью карбида бора с парафином, либо металлическим свинцом. Кроме этих коллиматоров внутри самих нейтроноводов были расположены еще четыре коллиматора из смеси карбида бора с парафином с коллимирующими отверстиями диаметром 20 см на расстояниях от реактора 10 м, 20 м, 56 м и 113 м. В разрыве нейтроновода на расстоянии 60 м от реактора был установлен сцинтилляционный жидкостный детектор объемом 210 л 114]. Он состоял из 6 секций и имел коллимационное отверстие диаметром 30 см. Для окончательного формирования нейтронного пучка в конце пролетной базы на расстоянии 116 м от реактора был установлен коллиматор в виде куба из смеси карбида бора и парафина (длина ребра 1 м) с коллимирующими вставками. Диаметр коллимационного отверстия в этом коллиматоре определялся диаметром образцов-фильтров, которые устанавливались непосредственно за ним на манипуляторе или в устройствах для нагревания и охлаждения. Чтобы снизить фон рассеянных нейтронов и гамма-лучей в помещении детекторов, сразу за манипулятором и устройствами для нагревания и охлаждения установливался транспортабельный легкий нейтроновод длиной 7 м. Этот нейтроновод состоял из двух алюминиевых труб разного диаметра (30 см и 20 см), герметично состыкованных фланцевым соединением. Труба этого нейтроновода длинной 3 м и диаметром 10 см вводилась во внутреннее отверстие жидкостного сцинтилляционного 16-секционного детектора гамма-лучей, что снижало фон в детекторе от нейтронов и гамма-лучей, рассеянных на воздухе. Тонкий образец-радиатор закреплялся в вакуумной трубе по центру сцинтилляционного детектора. Торцевая заглушка этой трубы примыкала непосредственно к нейтронному детектору из трех борных счетчиков в конце пролетной базы. Описанная выше система нейтроноводов и коллиматоров обеспечила оптимальные условия проведения измерений в условиях хорошей геометрии при низком фоне. Это было важно, поскольку на установке ПАРУС измерялись небольшие эффекты резонансной блокировки и допплер-эффект в нейтронных сечениях и величине альфа. Для снижения фона в помещении детектора при некоторых измерениях использовались еще два дополнительных коллиматора со вставками на расстояниях 118 м и 120 м от реактора.
1.1.2. Образцы, манипуляторы образцов, устройства для нагревания и охлаждения образцов
Наиболее полную информацию об эффектах резонансной блокировки и допплер-эффекте в нейтронных сечениях можно получить при измерении полных пропусканий и функций самоиндикации в диапозоне значений 0.95 - 0.01 на 5 - 10 толщинах образцов-фильтров из исследуемых материалов. Допплер-эффект в полных пропусканиях уверенно наблюдается при ослаблениях образцами-фильтрами нейтронного потока на 30 % и более процентов, в функциях самоиндикации при . меньших значениях. В связи с этим для проведения таких экспериментов требуются большие наборы достаточно толстых чистых и моноизотопных образцов-фильтров, упакованных в герметичные надежные контейнеры, способные выдерживать низкие и высокие температуры. В данном эксперименте использовались металлические диски изотопов тория, урана и плутония различной толщины с диаметром 48 мм. Образцы тория-232 и урана-235 упакованы в контейнеры из алюминиевой фольги толщиной 0,4 мм. Образцы плутония-239 упакованы в герметичные контейнеры из нержавеющей стали с толщиной стенок 0.3 мм. В таблице 1 приведены толщины образцов-фильтров тория-232, урана-235, 238 и плутония-239, которые использовались в измерениях пропусканий при разных температурах. В качестве образцов-радиаторов в сцинтилляционных детекторах и детекторах для регистрации рассеянных нейтронов или нейтронов деления использовались тонкие металлические пластинки и диски. Образец-радиатор тория-232 состоял из двух одинаковых квадратных металлических пластинок площадью 45x45 мм2 общей толщиной 0.000641 яд/барн. В качестве образцов-радиаторов урана-235 обогащением 90% служили металлические диски диаметром 45 мм и толщиной 0.00124 я/б. Плутониевыми образцами-радиаторами являлись два металлических диска в герметичной упаковке из нержавеющей стали толщиной 60 микрон. Обогащение образцов плутония-239 составляло 99,9%. Диаметр первого образца был равен 40 мм и толщина — 0.00089 яд/барн, диаметр второго образца равнялся 80 мм и толщина - 0.00114 'яд/барн. Содержание примесей в образцах-фильтрах тория-232 составляло не более 0,55%, урана-235 соответственно - 10% и плутония-239 около - 5%. В таблице I приведены толщины образцов в (мм) для изотопов с примесями, а толщины в (яд/барн) для чистых изотопов. При измерении пропусканий на образцах-фильтрах урана-238 использовались металлические
диски диаметром 80 мм, 160 мм и 195 мм различной толщины без упаковки. Тонкие диски служили образцами-радиаторами. Содержание примесей в этих образцах не превышало 0.4%.
Таблица 1
Образцы-фильтры тория-232, урана-235 и плутония-239
Изотоп торий-232
Толщина (мм), (яд/барн) 2.5 0.0065 5 0.0130 10 0.0258 20 0.0517 40 0.0976 60 0.1493 80 0.1949
Толщина (мм), (яд/барн) 100 0.2466 120 0.2926 140 0.3443 160 0.3904 180 0.4421
Изотоп уран-235
Толщина (мм), (яд/барн) 2,6 0.0112 5 0.0216 10 0.0430 15 0.0642 20 0.0858 25 0.1072 30 0.1286
Толщина (мм), (яд/барн) 35 0.1500 40 0.1713 45 0.1929
Изотоп уран-238
Толщина (мм), (яд/барн) 0.25 0.0012 0.5 0.0024 1.0 0.0048 2.0 0.0096 4.0 0.019 8.0 0.038 16 0.076
Толщина (мм), (яд/барн) 32 0.153 64 0.306 128 0.612
Изотоп Плутоний-239
Толщина (мм), (яд/барн) 1.2 0.00412 2.3 0.0076 4.6 0.0152 6.9 0.0227 9.2 0.0303 11.5 0.0517 13.8 0.0976
Толщина (мм), (яд/барн) 16.1 0.0530 18.4 0.0606 20.7 0.0682 23.0 0.0758 25.3 0.0834 27.6 0.1952 29.9 0.2028
Характеристики образцов-фильтров и образцов-радиаторов других изотопов приводятся в других главах при описании условий измерений.
Манипуляторы для перемещения образцов-фильтров удобны при измерении функций пропускания. Они сокращают непроизводительные затраты времени на закрытие и открытие нейтронного пучка, обеспечивают точную установку образцов на пучке. На данной установке использовался гидроманипулятор с двумя штоками, к которым жестко крепились держатели с образцами. Каждый шток с образцом-фильтром весом до 100 кг мог перемещаться за 6 сек
на расстояние 20см с помощью гидронасоса. Изменение направления перемещения штоков осуществлялось вентилями-переключателями. На этом манипуляторе можно было закреплять также устройства для нагревания и охлаждения образцов, что позволяло вести измерения спектров при разных температурах образцов-фильтров.
Для нагревания и охлаждения образцов-фильтров было создано несколько уникальных устройств [7, 8]. Одно из них изображено на рис.4.
Рис. 4. Устройство для нагревания и охлаждения крупногабаритных образцов-фильтров: 8 - корпус камеры; 9 - крышка камеры; 10 -токоввод; 10 -коромысло; 12 -датчик температуры; 13 - поршневой толкатель; 14 - шток;
15 - гидравлический цилиндр; 24 - канал для штока; 25 - патрубок; 26 -стальной экран; 27 - держатель образцов; 28 - керамическая трубка; 29 -образец; 30 -нагреватель камеры; 31 - керамическая шайба нагревателя; 32 -трубка криостатного сосуда; 33 - нагреватель канала; 34 - резиновый манжет, 35 - сальник; 36 - бронзовая втулка; 37 - поршневой толкатель ; 38 -криостат; 39 - жидкий газ; 40 - алюминиевый экран; 41 - медная шина;
42 - керамическая шайба токоввода; 43 - стальной фланец.
Устройство, изображенное на рис. 4, использовалось для исследования допплер-эффекта в полных пропусканиях на массивных металлических образцах-фильтрах 238и при температурах 100К - 1043К. Для исключения процесса окисления и возможного возгорания
образцов урана внутри печи поддерживался вакуум на уровне 10'5 Topp. На установке “ПАРУС” применялись более простые и удобные в работе нагревающие и охлаждающие системы. Так, устройство для нагревания небольших образцов 232Th, 235U, 239Pu представляло цилиндрическую миниатюрную электрическую печь весом всего 500г с регулируемой мощностью от нуля до 300 Вт. Она позволяло нагревать образцы диаметром до 80 мм и толщиной до 100 мм в диапазоне температур от 293К до 900К. Печь была укреплена на портативной алюминиевой подставке. Контроль за температурой образцов производился с помощью хромель-алюмелевой термопары. Источником тока печи являлась электрическая сеть с переменным напряжением 220 В, отделенная от нагревателя разделительным трансформатором и лабораторным автотрансформатором. Следует отметить, что данное нагревательное устройство благодаря малым габаритам можно было использовать также для нагревания образцов-радиаторов непосредственно внутри детекторов для исследования допплер-эффекта в сечениях радиационного захвата, деления и рассеяния
Охлаждающие устройства были созданы на основе сосудов Дьюара объемом 15 л и 25 л (см. рис.5), что позволило увеличить время между заливками азота на несколько суток. Для прохождения нейтронов с минимальными искажениями в сосудах Дьюара сделаны сквозные отверстия с тонкими алюминиевыми заглушками толщиной 1 мм. Диаметр сквозного отверстия в сосуде для заливки азота в обоих Дьюарах равен 50 мм, а длина сквозной полости равна 25 см, что позволило охлаждать массивные толстые образцы-фильтры. Эта полость образцов образована алюминиевой трубкой, герметично сваренной в торцах с сосудом для заливки азота примерно на высоте 50 мм от дна сосуда объемом 25 л и 100 мм от дна сосуда объемом 15 л. Соосно этим полостям к внешним кожухам сосудов Дьюара герметично приварены трубки диаметром 150 мм и длиной 100 мм. Эти трубки с торцов имели фланцы с заглушками, которые снимались при замене образцов и при юстировке всей установки по нейтронному пучку. Для уменьшения притока тепла к сосуду с жидким азотом в полости между внутренними и внешними оболочками и в тр>бе с образцами поддерживался вакуум на уровне 0.01 Topp. Описанные устройства охлаждения имели небольшие градиенты температурного поля около 10% только в торцах внутренних трубок, что легко устранялось экранами из фольги алюминия.
18
»
Рис. 5. Общий вид устройства для охлаждения образцов-фильтров:
1 - заливное отверстие; 2 - вакуумный вентиль; 3 - внешний корпус;
4 - жидкий азот; 5 - сосуд для жидкого азота, 6 - сквозная труба;
7 - образец - фильтр; 8 - патрубок; 9 - фланец; 10 - днище сосуда Дьюара.
В некоторых измерениях для исследования допплер-эффекта в полных сечениях использовались также обычные стеклянные сосуды Дьюара объемом 1 л, в которых образец-фильтр помещался в специальный алюминиевый цилиндр для удаления жидкого азота с нейтронного пучка. Температура образцов-фильтров измерялась с помощью термопар. Описанные выше нагревающие устройства использовались только для нагревания образцов-фильтров из металлического тория -232 и урана-238 при исследовании допплер-эффекта в полном сечении. С помощью охлаждающих устройств производилось охлаждение образцов-фильтров тория -232 , урана-235, урана-238 и плутония - 239, которые представляли из себя металлические диски различной толщины в герметичной оболочке. Созданные автором оригинальные нагревательные и охлаждающие устройства позволили исследовать впервые допплер-эффект в пропусканиях и величине альфа на большом наборе толщин образцов-фильтров основных реакторных материалов в широком диапазоне температур и энергий.
1.1.3. Мониторы, детекторы нейтронов и гамма-лучей .
Измерения пропусканий и допплеровских коэффициентов в пропусканиях возможны при условии наличия высокоэффективных и низкофоновых детекторов и при слежении за уровнем мощности источника с помощью надежных мониторов. На данной установке использовались мониторы в виде отдельных гелиевых счетчиков типа СНМ-І8 и батареи из двух борных счетчиков типа СНМ-11. От этих мониторов аналоговые сигналы после усиления и дискриминации преобразовывались в стандартные сигналы МІМ, которые подавались на пересчетное устройство КС-014 в измерительном модуле. Запуск КС-014 производился одновременно с блоками набора информации от детекторов.
Для регистрации нейтронов и гамма-лучей в отмеченных исследованиях использовались разные типы детекторов. Так, нейтронный детектор в виде батареи из трех борных счетчиков типа СНМ-13 в полиэтиленовом замедлителе находилась на 124 м пролетной базе. Он имел невысокую эффективность регистрации нейтронов (0,6%) для исключения перегризок при низком собственном фоне (0,01 имп/с). Это обеспечивало приемлимую скорость счета импульсов не более 7000 имп/с в широкой области энергий нейтронов. Оригинальный 16-секционный жидкостный детектор у-лучей (7, 9] был установлен перед нейтронным детектором на 122 м пролетной базе третьего нейтронного пучка ИБР-30 (рис.З). В качестве сцинтиллирующей жидкости в (п,у)-детекторе использовался раствор из 100 г сцинтиллирующих добавок, 11 л метилбората с 94% обогащенным бором-10 и 69 л толуола. Детектор состоял из двух одинаковых цилиндрических алюминиевых баков с общим объемом 80 л, общей длиной 80 см, диаметром 40 см и сквозным отверстием диаметром 110 мм. Каждый бак разделен на 8 сообщающихся секций, отделенных друг от друга 2 мм алюминиевыми светозащитными перегородками. Каждая секция просматривалась одним фотоумножителем ФЭУ-110 при непосредственном контакте фотокатода с жидкостью. Эффективность регистрации (п,у)-детектора составляла 30%, геометрическая эффективность - 98%, энергетическое разрешение - около 30% для у-квантов цезиевого источника (662 кэВ).
Электронная аппаратура для накопления информации от детектора была сделана в системе КАМАК в ОИЯИ и ФЭИ по инициативе автора (рис.6). Она надежно работала во время всех измерений. От каждой секции детектора аналоговые сигналы поступали с анодов ФЭУ-110 в свой независимый спектрометрический канал. Импульсы длительностью 30 не после ФЭУ-110 усиливались быстрыми токовыми усилителями с коэффициентом усиления
20
к=70. Амплитуды сигналов на секциях выравнивались с помощью высокого напряжения по у-линиям Со-60 и С$-137. После линейных усилителей аналоговые быстрые сигналы поступали параллельно на интегральные дискриминаторы и на два линейных сумматора с девятью входами каждый. На выходе сдвоенного сумматора имелся интегральный быстрый дискриминатор, который удалял сигналы ниже 600 кэВ от фоновых у-лучей при захвате
нейтронов ядрами 1 В. Уровни дискриминации в каждом, канале соответствовали энерговыделению у-лучей 100 кэВ.
і
ФЭУ-II о
2
ФЭУ-110
16
ФЭУ-110
I
токовый
усилитель.
токовый
усилитель
16
токовый
усилитель
■яте трал дискриминатор
2
интеграл.
дискриминатор
16
интеграл.
дискриминатор
ИБР-30
старт
Линейный
сумматор-*-
дифферент.
дискриминатор
Кодировщик
кратности
совпадений
Временное окно Вр. Промеж. Крейт-
колир память коитроллер
Рис.6. Общая электронная блок-схема для измерения времяпролетных спектров 1-16 кратности совпадений гамма-лучей на установке ПАРУС.
Отбор информации по кратностям совпадений импульсов от 16 спектрометрических каналов производился с помощью кодировщика кратности совпадений гамма-лучей ККС.
На 16 входов кодировщика кратности совпадений поступали сформированные импульсы длительностью 100 не от интегральных дискриминаторов, стробирующий сигнал поступал от дискриминатора за линейным сумматором. Кодировщик кратности формировал на выходе пятиразрядный код, который поступал в блок цифровых окон для формирования времяпролетных спектров.
Эта информация в виде 16 временных спектров с 4096 временными каналами, охватывавших диапазон энергий нейтронов Е — 2,15 эВ - 10 МэВ, накапливалась в промежуточной памяти измерительного модуля с РС/АТ-386, а затем переписывалась в РС.
Кроме описанных выше детекторов , при измерении полных пропусканий и функций самоиндикации в парциальных сечениях использовались: 16-секционный сцинтилляционный детектор РОМАШКА с ІМаі(ТІ) кристаллами общим объемом 36л [10, 11] на 500 м пролетной базе 6-го нейтронного пучка ИБР-30, быстродействующие ионизационные камеры деления со слоями урана-235, и плутония-239 [12, 13, 22] на 60-м пролетной базе 5-го пучка ИБР-30, 6-секционный жидкостный сцинтилляционный детектор у-лучей объемом 210 л [14] на 60-м пролетной базе 3-го нейтронного пучка ИБР-30, а также 8-секционнын нейтронный детектор в виде батареи из 26 гелиевых счетчиков типа СНМ-18 [16] на 1006-метровой пролетной базе 6-го нейтронного пучка ИБР-30. Многосекционные детекторы нейтронов и у-лучей были созданы прежде всего для уменьшения фоновых составляющих при работе в режиме регистрации множественности излучений, а также для разделения процессов деления, рассеяния и радиационного захвата. Многосекционные нейтронные детекторы позволили помимо полных пропусканий измерить также парциальные пропускания в рассеянии и делении. Многосекционные сцинтилляционные детекторы гамма-лучей позволили измерить парциальные пропускания в радиационном захвате. Многослойные быстродействующие камеры деления позволили исследовать допплер-эффект и резонансную структуру в сечении деления урана-235 и плутония-239. Таким образом, перечисленный набор детекторов обеспечил всесторонний подход в исследованиях резонансной структуры и допплер-эффекта нейтронных полных и парциальных сечений.