Экспериментальная установка.
Экспериментальная установка (рис. I) состоит из большого бака с водой, в центре которого подвешен источник нейтронов.
О плотности нейтронов в разных точках можно судить по активации детектора - серебряной пластинки, помещаемой для этой цели на некоторое время в соответствующее место бака, т.е. в конечном счете - по числу импульсов счетчика, облученного этим детектором, после извлечения его из бака. Активность детектора исследуется на стандартной установке с -счетчиком (см. описание прибора).
Нейтронный источник
В источнике нейтроны получаются в результате реакции - частицы излучаются естественно радиоактивным элементом. Спектр нейтронов сплошной, доходит до значений энергии около 11 МэВ, причем наибольшая интенсивность приходится на интервал энергии от 3 до 5 МэВ (рис. 2).
Детектор нейтронов
Детектором нейтронов является серебряная пластина.
Таблица I
Стабильный изотоп |
Содержание изотопа, %
|
Продукт (n,γ) реакции |
Т |
Сечение активизации на атом стабильного изотопа, барн |
10747Ag |
51,9 |
10847Ag |
2,3 мин. |
44±9 |
10947Ag |
48,1 |
11047Ag |
24,5 с 270 дней |
110±20 2,8 ±0,5 |
Изучая распределение плотности тепловых нейтронов при помощи серебряного детектора, следует помнить, что серебро активируется не только нейтронами тепловых энергий, но и в заметной степени так называемыми резонансными нейтронами – в данном случае нейтронами некоторого участка энергетического спектра в окрестности точки эВ, для которых сильно возрастает сечение захвата109Ag в атомах изотопа 47.
Явление резонанса, свойственное не только ядру серебра, но также и многим другим ядрам, связано с тем, что при поглощении нейтрона ядром под действием ядерных сил происходит возбуждение образующего ядра-продукта. Энергия возбуждения приблизительно равна сумме энергии связи нейтрона в ядре-продукте ε и кинетической энергии нейтрона до взаимодействия:
,
то достаточно точно для таких тяжелых ядер, как серебро (для более тяжелых ядер пришлось бы учесть, что небольшая часть от уходит на сообщение кинетической энергии ядру-продукту и, следовательно, не дает вклада в энергию возбуждения). Резонансными энергиями называют такие энергии в спектре нейтронов, которым отвечает, совпадающее с одним из естественных дискретных уровней возбуждения ядра-продукта. Сечение поглощения при подходе к такой точке сильно возрастает.
Число импульсов , которое дает за некоторое время бета-счетчик от облучения детектором, пропорционально полной активности детектора, обусловленной как тепловыми, так и резонансными нейтронами.
Вклад резонансных нейтронов в общее число импульсов счетчика определяется экспериментально. Для этого детектор помещают в ту же точку бака и активируют снова в течение того же времени, но закрыв его с обеих сторон кадмиевыми экранами толщиной 0,5-1 мм. Такие экраны практически не пропускают тепловых нейтронов. Кадмий имеет очень большое сечение поглощения тепловых нейтронов (около 2400 барн), однако является почти прозрачным для нейтронов с энергией 5 эВ, так как сечение кадмия для захвата нейтронов становится малым, начиная с 0,5 эВ.
Таким образом, в опыте с кадмием детектор будет активирован одними резонансными нейтронами, и соответствующее число импульсов покажет вклад в общее число импульсов счетчика, обусловленный резонансными нейтронами. Разность между числом импульсов в опыте без кадмия и в опыте с кадмием является мерой активности, наведенной в детекторе одними тепловыми нейтронами, т.е. в конечном итоге мерой плотности тепловых нейтронов.