Дослідження перерізів реакцій 181Та(n, y) з використанням диференційного методу формування апаратурних y-спектрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕРІЗІВ РЕАКЦІЇ ¹⁸¹Та(n, г) З ВИКОРИСТАННЯМ ДИФЕРЕНЦІЙНОГО МЕТОДУ ФОРМУВАННЯ АПАРАТУРНИХ г-СПЕКТРІВ

01.04.16 фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

ЄРМОЛЕНКО РУСЛАН ВІКТОРОВИЧ

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент Каденко Ігор Миколайович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідуючий кафедрою ядерної фізики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук Слабоспицький Ростіслав Павлович, Інститут фізики високих енергій і ядерної фізики ННЦ “ХФТІ”, заступник директора

кандидат фізико-математичних наук Бабенко Володимир Олексійович, Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАНУ, старший науковий співробітник відділу теорії ядра та квантової теорії поля

Провідна установа: Ужгородський національний університет, Міністерство освіти і науки України, м. Ужгород.

Захист відбудеться “ 15 ” червня 2006 р. о 14¹⁵ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради № Д26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м. Київ, проспект Науки, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту ядерних досліджень НАН України, 03680, м. Київ, проспект Науки, 47.

Автореферат розісланий “ 15 ” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Томчай С.П.

АНОТАЦІЇ

Єрмоленко Р.В. Дослідження перерізів реакцій ¹⁸¹Та(n, ) з використанням диференційного методу формування апаратурних -спектрів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук. 01.04.16 Фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій. Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України, Київ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена вимірюванню перерізів реакцій ¹⁸¹Та(n, ) з використанням диференційного методу формування апаратурних -спектрів. В ході роботи було математично обґрунтовано та експериментально досліджено можливість застосування диференційного підходу до вимірювань великих за величиною та змінних у часі потоків ядерного випромінювання.

Встановлено межі застосування даного методу та оцінено похибку результатів, що отримуються при його реалізації. Вперше виміряно величини перерізів реакції ¹⁸¹Ta(n,)^182m2Ta при енергії нейтронів 1,9 кеВ; 59 кеВ; 144,5 кеВ та 2,85 МеВ та уточнено величини перерізу реакції ¹⁸¹Ta(n, )^182m2Ta при енергії нейтронів 14,34 МеВ і перерізу реакції ¹⁸¹Ta(n, )^182gTa при енергії нейтронів 2,85 МеВ. З використанням програмного пакету Empire II розраховано перерізи реакції поглинання нейтронів ядром ¹⁸¹Та та досліджено вплив параметрів моделей на результати розрахунків. Найкраще узгодження з експериментальними даними досягнуто при розрахунках з використанням густини ядерних рівнів за модифікованою (EmpireII) моделлю Фермі-газу зі спарюванням, використанні оптичного потенціалу Берсіллона, дипольних радіаційних силових функцій підходів MLO1 та EGLO, врахуванні г-переходів мультипольності 3.

Ключові слова: ефекти “мертвого” часу, диференційний метод, тантал, реакція радіаційного поглинання нейтронів, метастабільний стан ядра.

Ермоленко Р.В. Исследование сечений реакций ¹⁸¹Та(n,) с использованием дифференциального метода формирования аппаратурных -спектров - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. 01.04.16 Физика ядра, элементарных частиц и высоких энергий. Институт ядерных исследований Национальной академии наук Украины. Киев, 2006.

Диссертационная работа посвящена измерению сечений реакций на ¹⁸¹Та(n,) с использованием дифференциального метода формирования аппаратурных -спектров. В ходе работы была математически обоснована и экспериментально исследована возможность применения дифференциального подхода к измерениям больших по величине и переменных во времени потоков ядерного излучения. Данный метод предназначен для учета и компенсации потерь импульсов в потоке, которые вызваны эффектами “мертвого” времени спектрометрической системы. Метод базируется на анализе измеряемого потока в окрестности каждого события с целью восстановления информации, утерянной вследствие регистрации такого события. Для реализации дифференциального метода разработано и изготовлено устройство связи персональный компьютер - АЦП ADC 8713 (Canberra), позволяющее расширить функциональные возможности многоканального амплитудного анализатора импульсов и проводить запись относительного времени между последовательными событиями и “мертвого” времени, обусловленного отдельным импульсом, а также получать амплитудную и временную информацию о каждом событии. Установлены границы применимости данного метода и оценена погрешность результатов, получаемых при его исспользовании. Благодаря применению технологии интерференционных нейтронных фильтров, а также используя нейтронный генератор как источник нейтронов из реакций D(d, n)³He и T(d, n)⁴He впервые измерены величины сечений реакции ¹⁸¹Ta(n, )^182m2Ta при энергии нейтронов 1,9 кеВ; 59 кеВ; 144,5 кеВ и 2,85 МеВ и уточнены значения сечения реакции ¹⁸¹Ta(n, )^182m2Ta при энергии нейтронов 14,34 МеВ и сечения реакции ¹⁸¹Ta(n, )^182gTa при энергии нейтронов 2,85 МеВ. Выполнен анализ и сравнение полученных результатов с имеющимися данными библиотек ядерных данных и результатами других авторов.

С помощью программного пакета Empire ІІ рассчитаны величины сечений поглощения нейтронов ядром ¹⁸¹Та и исследовано влияния расчетных параметров. Наилучшее согласие с экспериментальными данными достигнуто при расчете плотности ядерных уровней согласно модифицированной (Empire II) модели Ферми-газа со спариванием, использовании оптического потенциала Берсиллона, дипольных радиационных силовых функций подходов MLO1 та EGLO, учете г-переходов мультипольности 3.

Ключевые слова: эффекты "мертвого" времени, дифференциальный метод, тантал, реакция радиационного поглощения, метастабильное состояние ядра.

Yermolenko R.V. Investigation of ¹⁸¹Ta(n,) Reaction Cross-sections Using the Differential Method For -spectra Forming - Manuscript.

Thesis for the Candidate's of Sciences Degree (Physics and Mathematics). 01.04.16 Physics of Nucleus, Elementary Particles and High Energies. Institute for Nuclear Research, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis is dedicated to investigation of ¹⁸¹Та(n, ) reaction cross-sections using the differential method for - spectra forming. While the work performance it was mathematically proved and experimentally confirmed a possibility to apply a differential method for measurements of high-level and variable in-time nuclear radiation fluxes. The scope for application of this method and the uncertainties due it's using are investigated and established. The reaction ¹⁸¹Та (n, )^182m2Та cross-sections have been measured for 1.9 kеV; 59 kеV; 144.5 kеV та 2.85 MеV incident neutron energies for a first time. The reaction ¹⁸¹Та (n, )^182m2Та cross-section for 14.34 MеV incident neutron energy as well as the reaction ¹⁸¹Та(n, ) ^182gТа cross-section value for 2.85 MеV incident neutron energy values obtained have significantly improved the existing experimental information. Additionally with using the EMPIRE II code there were ¹⁸¹Та(n, ) cross-section calculations performed to study an influence of calculation parameters on cross-section values. The most acceptable agreement with experimental data does correspond to using BCS + Fermi-gas model (Empire II) for nuclear level densities, Bersillon optical potential, dipole radiative strength functions MLO1 and EGLO and taking into account -transition multipolarity ? 3.

Key words: dead-time effects, differential method, tantalum, neutron radiative adsorption reaction, metastable nuclear state.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

диференційний ядерний випромінювання нейрон

Актуальність теми. Експлуатація ядерних та майбутніх термоядерних енергетичних установок зумовлює присутність потужних радіаційних полів, які формуються при роботі самого реактора і розпаді продуктів поділу, а також внаслідок реакцій синтезу та активації конструкційних матеріалів. Крім того, джерела іонізуючого випромінювання, в тому числі з високою активністю, широко використовуються в різноманітних галузях науки та техніки. За своєю природою взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною призводить до значних змін у структурі та властивостях матеріалів, приладів і апаратури, а також біологічних об'єктів, в тому числі і людини. Саме тому зумовлені джерелами іонізуючого випромінювання радіаційні поля мають бути визначені щодо їх характеристик з мінімальною похибкою, особливо коли ці поля є швидкозмінними у часі та небезпечними стосовно вимог радіаційної безпеки. Це вказує на актуальність досліджень, які були виконані у першій частині дисертації щодо підтвердження ефективності застосування диференційного методу для вимірювання потужних та нестаціонарних полів випромінювання, які створювались джерелами гамма- та бета-випромінювання.

Іншою важливою галуззю ядерної фізики є дослідження структури атомних ядер як в основному, так і в збуджених станах, вивчення яких дозволяє отримувати дуже важливу фундаментальну інформацію про перетворення ядер внаслідок ядерних реакцій. Наразі існує декілька напрямків та підходів для вирішення подібних задач. Серед них важливим є дослідження існування довго існуючих метастабільних або ізомерних станів ядер. Зокрема, перерізи утворення ядра в ізомерному стані мають бути визначеними для всіх матеріалів, які використовуються в ядерних та термоядерних енергетичних установках.

В дисертації досліджуються перерізи радіаційного поглинання нейтронів ядрами ¹⁸¹Та. Завдяки своїм фізико-хімічним властивостям тантал є важливим конструкційним матеріалом сучасного та майбутнього реакторобудування і тому вкрай необхідним є всебічне знання його властивостей. Крім ядерних реакторів цей матеріал є дуже цікавим щодо його застосування у майбутніх термоядерних реакторах як складової надпровідних магнітів, що можуть втрачати свої властивості внаслідок опромінення в інтенсивних полях нейтронного та -випромінювання. Не дивлячись на значну потребу в ядерних даних, енергетична залежність перерізів взаємодії ядер ¹⁸¹Ta з нейтронами на сьогодні все ще залишається не достатньо добре вивченою і є предметом запитів різних наукових центрів на отримання нових даних щодо величин перерізів. При цьому особливу цікавість представляє реакція ¹⁸¹Та(n,г) з утворенням ядра ^182m2Та в другому метастабільному стані з періодом напіврозпаду 15,84 хв. Теоретичні розрахунки перерізів даної реакції мають певні протиріччя, а експериментально переріз цієї реакції до сьогодні було виміряно лише для деяких енергій. З метою розширення діапазону визначення енергетичної залежності як перерізу даної реакції, так і відповідного ізомерного відношення, саме й була обрана як предмет дослідження ця реакція.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основна частина представленої роботи виконана у відповідності з тематичним планом науково-дослідних робіт Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках державної бюджетної теми № 01БФ051-15 “Комплексні дослідження механізмів ядерних реакцій, властивості атомних ядер та наслідків дії іонізуючого випромінювання”, що виконувалася протягом 2004-2005 років на кафедрі ядерної фізики фізичного факультету.

Частково робота виконувалась спільно з відділом нейтронної фізики ІЯД НАН України.

Мета і завдання дослідження. Об'єктом дослідження є реакція радіаційного поглинання нейтронів ядром ¹⁸¹Та та диференційний метод формування апаратурних -спектрів. Предмет дослідження - енергетична залежність перерізів утворення основного та метастабільного станів ядер ¹⁸²Та.

Мета дослідження: 1) математичне обґрунтування диференційного підходу вимірювання потоків ядерного випромінювання, експериментальна перевірка ефективності його застосування, в тому числі для визначення перерізу ядерної реакції ¹⁸¹Та(n, г)^182m2Та при енергіях налітаючих нейтронів в діапазоні 0,002-14,5 МеВ; 2) визначення та уточнення енергетичної залежності ізомерного відношення для ядра ¹⁸²Ta; 3) теоретичні розрахунки перерізу реакцій ¹⁸¹Та(n, г)¹⁸²Та з використанням розрахункового коду EMPIRE II; 4) порівняння експериментально отриманих даних з результатами теоретичних розрахунків та даними бібліотек оцінених даних.

Методи дослідження. Для дослідження можливості використання в ядерно-фізичних експериментах диференційного методу проводились модельні розрахунки з використанням числових методів та експериментальні дослідження при розробці дозиметру-радіометру МКС-07 “ПОШУК”, в якому було практично реалізовано диференційний метод формування потоків подій для не енергодисперсійних детекторів. Особливу увагу було зосереджено на дослідженні ефективності застосування диференційного методу для енергодисперсійних вимірювань з використанням HPGe детектора та спектрометричної системи, що складалася з NIM-сумісних блоків виробництва фірми Canberra.

Для визначення перерізу вище зазначеної реакції в діапазоні 2-144,5 кеВ використовувалася технологія інтерференційних нейтронних фільтрів з використанням як джерела нейтронів дослідницького реактора ВВР-М, що експлуатується в Інституті ядерних досліджень НАНУ.

При визначенні перерізу цієї ж реакції при енергіях 2,85 та 14,34 МеВ джерелом швидких нейтронів слугував нейтронний генератор НГ300/15, розроблений на кафедрі ядерної фізики та метрологічно атестований як робоче джерело нейтронів.

Величини перерізів ядерних реакцій визначались експериментально за допомогою нейтронно-активаційного методу з використанням гамма-спектрометричного методу. Для врахування “мертвого” часу вимірювального тракту застосовувався диференційний метод.

Контроль зразків на присутність в них домішок інших хімічних елементів проводився за допомогою рентгено-флюоресцентного аналізу.

Теоретичні розрахунки енергетичної залежності перерізу реакції, що досліджувалася, та ізомерного відношення виконувалися з використанням програмного пакету Empire II, версія 2.19.30. Вивчався вплив на величини перерізів радіаційного поглинання нейтронів та ізомерних відношень таких величин, як вид радіаційної силової функції, густини ядерних рівнів, максимальної величини мультипольності гамма-переходів і моделі оптичного потенціалу.

Наукове значення роботи. Вперше виконано математичне обґрунтування та проведено експериментальні дослідження можливості використання диференційного підходу для вимірювання великих за величиною та змінних у часі потоків іонізуючого випромінювання. Встановлено межі застосовності даного методу та досліджено принципову можливість реалізації алгоритму для значного зменшення кількості вилучених подій з потоку імпульсів внаслідок ефектів “мертвого” часу та їх накладень. З використанням диференційного підходу було вперше виміряно перерізи реакції ¹⁸¹Та(n, г)^182m2Ta при енергії нейтронів 1,9 кеВ; 59 кеВ; 144,5 кеВ та 2,85 МеВ. Виконано уточнення перерізу цієї реакції при енергії нейтронів 14,34 МеВ.

Виконано уточнення перерізів реакції ¹⁸¹Та(n, г)^182gTa при енергії нейтронів 2,85 та 14,34 МеВ.

Базуючись на отриманих експериментальних даних розраховано залежність ізомерного відношення від енергії для другого метастабільного стану ядра.

В рамках статистичного підходу Хаузера-Фешбаха з урахуванням передрівноважних процесів обґрунтовано вибір радіаційної силової функції та систематики густини рівнів ядра, при використанні яких вдається найкращим чином описати енергетичну залежність перерізів радіаційного поглинання нейтронів ядрами ¹⁸¹Ta з утворенням другого метастабільного та основного станів, а також енергетичну залежність ізомерного відношення.

Практичне значення роботи. Було продемонстровано можливість застосування диференційного підходу при вимірюванні потоків випромінювання, які характеризують ядерні процеси.

Експериментально отримана енергетична залежність перерізу реакції ¹⁸¹Та(n, г)^182m2Ta, що може бути використана для перевірки та уточнення моделей ядерних реакцій.

В роботі отримано нові експериментальні результати та уточнено результати інших груп експериментаторів.

Проведено порівняння енергетичної залежності перерізу дослідженої реакції з результатами проведених теоретичних розрахунків та даними бібліотек оцінених ядерних даних.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем розроблено програмне забезпечення, за допомогою якого було проведено числове моделювання диференційного методу вимірювання та проведено неенергодисперсійні експерименти з дослідження застосування даного методу.

Здобувачем було спроектовано та виготовлено плату для накопичення інформації про час надходження кожної події, про “живий” час в проміжках між реєстраціями подій та амплітуду сигналу зареєстрованої події, а також розроблено програмне забезпечення для зчитування даних з плати та запису їх до пам'яті комп'ютера. Вперше було розроблено набір програм для обробки потоків експериментальних даних із застосуванням диференційного методу. Проведено серію дослідів з тестування створеного апаратного та програмного забезпечення та перевірку ефективності роботи диференційного методу вимірювання.

Автор приймав активну участь у плануванні та проведенні експериментів з використанням технології нейтронних інтерференційних фільтрів на дослідницькому реакторі ВВР-М ІЯД НАНУ при дослідженні перерізів реакції ¹⁸¹Та(n, )^182m2Та. Безпосередньо автором були виконані розрахунки для визначення параметрів нейтронних пучків та перерізів досліджуваної реакції. Здобувач приймав безпосередню участь у проведенні вимірювань та отриманні результатів для енергії нейтронів 2,85 та 14,34 МеВ. Проведено аналіз отриманих результатів та їх порівняння з відомими даними. Із застосуванням програмного пакету Empire II здобувачем виконані розрахунки перерізів з різними параметрами моделей ядерних реакцій. Розроблено допоміжну програму для автоматизації вибірки розрахунку із вихідного файлу EMPIRE II та розрахунку ізомерних відношень.

Апробація результатів дисертації. Усі результати, що представлені в дисертації, доповідались та обговорювались на п'яти конференціях: щорічних наукових конференціях Інституту ядерних досліджень в 1999 та 2006 роках; International Conference. Dynamical systems modelling and stability investigation, Kyiv, May 22-25, 2001; International conference on nuclear data science and technology, ND2001. Tsukuba, Ibaraki-ken, Japan. October 7-12, 2001; 5th Conference on Nuclear and Particle Physics 19-23 Nov. 2005, Cairo, Egypt.

Публікації. Всі результати, що представлені в роботі, опубліковані в десяти статтях науково-фахових видань та у тезах двох міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 170 найменувань. Обсяг дисертації складає 178 сторінок тексту, включаючи 86 рисунків, 14 таблиць та список використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено актуальність теми, визначено мету і задачі роботи, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, відмічено особистий внесок здобувача.

В першому розділі розглянуто методи врахування ефектів “мертвого” часу та накладень імпульсів при накопиченні апаратурних гамма-спектрів. Наводиться статистичне обґрунтування процесу формування потоків імпульсів при вимірюванні характеристик іонізуючого випромінювання та меж застосування пуасонівської статистики для опису процесів вимірювання в ядерно-фізичних експериментах, що базуються на біноміальній статистиці радіоактивного розпаду. З урахуванням особливостей вимірювального обладнання описані ефекти накладень імпульсів та ефекти “мертвого” часу. Наводиться розширений огляд методів корекції ефектів „мертвого” часу та накладень імпульсів. Розглядаються переваги та недоліки таких аналогових методів корекції ефектів „мертвого” часу та накладень імпульсів, як: метод „живого” часу; метод генератора стабільної амплітуди - додаткового джерела; методи корекції ефектів „мертвого” часу та накладень імпульсів в рамках підходу „лічба без втрат”; запропонований нами аналоговий метод корекції ефектів „мертвого” часу та накладень імпульсів із застосуванням розпаралелювання сигналів.

В розділі наведено детальний аналіз можливостей та меж застосування диференційного методу врахування втрат імпульсів внаслідок ефектів “мертвого” часу при вимірюванні потоків ядерного випромінювання. Суть розвиненого диференційного методу полягає в отриманні оцінки кількості подій, які були втрачені при реєстрації окремої події. Тобто, якщо зареєстровано N подій, то оцінка N справжньої кількості подій, які були б зареєстровані вимірювальним трактом без “мертвого” часу, виконується за формулою:

де: n_i - оцінка кількості подій, втрачених протягом “мертвого” часу при реєстрації i-ї події.

В роботі наведено детальний опис методу отримання величин n_i та представлені результати математичного обґрунтування диференційного методу корекції “мертвого” часу, а також виконана оцінка похибки, спричиненої застосуванням даного методу.

Описуються експериментальні дослідження ефективності диференційного методу та наводяться отримані результати. На підставі наших та інших досліджень компанія “Спаринг-Віст” (Львів, Україна) розробила та серійно випускає прилад МКС-07 “Пошук”, призначений для вимірювання потужності еквівалентної дози гамма-випромінювання та густини потоку бета-частинок. Завдяки реалізації в даному приладі розвиненого нами диференційного методу було досягнуто розширення динамічного діапазону вимірювання приладом в 10-50 разів. Крім того, у випадку вимірювання нестаціонарних потужних полів -випромінювання було показано, що диференційний метод дає можливість коректно оцінювати величину потоку випромінювання навіть у тих випадках, коли застосування класичного методу “живого” часу призводить до заниження результатів в 3-4 рази.

В роботі наводиться опис розробленого та створеного автором пристрою для запису часу надходження імпульсу для кожної окремої події, що реєструються, та відповідного “живого” часу. Зв'язок пристрою з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) здійснюється за допомогою уніфікованого інтерфейсу, який використовується в більшості АЦП фірми Canberra для обміну даних з багатоканальними аналізаторами. Даний пристрій необхідний для реалізації диференційного методу у випадку енергодисперсіних вимірювань.

Проведено експериментальні дослідження диференційного методу у порівнянні з методом “живого” часу у випадку спектрометричних вимірювань. В роботі детально описані представлені методики досліджень та отримані результати. Було встановлено, що при вимірюванні нестаціонарних потоків диференційний метод дає можливість відновити швидкість лічби в піці повного поглинання у тих випадках, коли метод “живого” часу призводив до заниження результату на 38%. При цьому середнє значення “мертвого” часу спектрометричного тракту становило 22%, а величина вхідного завантаження періодично змінювалась у 15 разів. Було встановлено, що в усіх випадках при застосуванні диференційного методу до записаних потоків подій піки повного поглинання -випромінювання в спектрах не уширювались, тобто повна ширина піка на половині висоти залишалась майже сталою в межах похибки визначення самої величини повної ширини піку. Таким чином, практично продемонстровано можливість застосування диференційного підходу для вимірювання великих та нестаціонарних у часі потоків іонізуючого випромінювання.

Другий розділ присвячено визначенню перерізів реакції радіаційного поглинання нейтронів ¹⁸¹Та у діапазоні енергій 0,002-14,34 МеВ з використанням активаційного методу. Слід зазначити, що ядро ¹⁸²Та має другий довго живучий метастабільний рівень 10^- з енергією 519 кеВ, час життя якого складає 15,84 хв. Найбільш імовірна схема розпаду даного рівня складається з каскаду переходів з енергіями -ліній 146,8; 171,6 та 184,9 кеВ. Вимірювання виконувалися з допомогою г-спектрометру на основі детектора з надчистого германію з використанням NIM-сумісних блоків виробництва фірми Canberra. Інформація про кожну окрему подію реєстрації з аналогово-цифрового перетворювача подавалася на розроблену плату накопичення спектрометричної та часової інформації. Часова інформація використовувалася для ідентифікації -ліній за періодом напіврозпаду ізомерного стану та компенсації ефектів “мертвого” часу вимірювальної системи.

Для визначення перерізу досліджуваної реакції в енергетичному діапазоні 2-144 кеВ було застосовано відпрацьовану в ІЯД НАН України технологію інтерференційних нейтронних фільтрів. Джерелом нейтронів для неї був дослідницький ядерний реактор ВВР-М ІЯД НАНУ. Енергетичний розподіл нейтронів у реакторі є неперервним і відповідає діапазону від нуля до декількох десятків МеВ. Із активної зони реактора формується квазіпаралельний нейтронний пучок, який спрямовується на фільтри різної товщини та з різних матеріалів. Кожен з фільтрів має свою характерну залежність коефіцієнтів пропускання нейтронів від їх енергії. Цей набір фільтрів попередньо проектується таким чином, щоб із неперервного реакторного спектру виділити нейтрони в досить вузькому енергетичному діапазоні. При цьому, зазвичай, виконується оптимізація товщини та ізотопного складу окремих фільтрів таким чином, щоб отримати якомога більш моно енергетичний та інтенсивний пучок нейтронів. Вимірювання перерізу виконувалися з використанням фільтрів із середньою енергією пропускання нейтронів 1,9; 58,7 та 144,5 кеВ. Для розрахунку спектрів пропускання було використано дані про перерізи повної взаємодії нейтронів для відповідних ізотопів з бібліотеки JENDL-3.2 та програмний пакет FILTER, який розроблено та веріфіковано за допомогою коду MCNP у відділі нейтронної фізики ІЯД НАН України. Для визначення величини густини потоку нейтронів та контролю його стабільності було використано моніторні ядерні реакції ¹⁰B(n, )⁷Li та ¹¹⁵In(n, )^116mIn. Густина потоку нейтронів становила для 1,9 кеВ фільтра - 4,81·10⁶ н/см²с; для 58,7 кеВ фільтра - 1,90·10⁶ н/см²с; для 144,5 кеВ фільтра - 3,87·10⁶ н/см²с.

Для визначення перерізу досліджуваної реакції при енергіях нейтронів 2,85 та 14,34 МеВ джерелом нейтронів був створений на кафедрі ядерної фізики нейтронний генератор НГ-300/15. Він являє собою електростатичний низьковольтний прискорювач заряджених частинок (ізотопів водню). Нейтрони з енергіями 2,8(DD) та 14 (DT)МеВ генеруються в реакції D(d,n)³He та T(d,n)⁴He відповідно.

При опромінюванні зразків моніторинг потоку нейтронів здійснювався за допомогою камери поділу. Зменшення виходу потоку нейтронів з мішені компенсувалося відповідним збільшенням струму пучка дейтронів. Величина потоку нейтронів підтримувалась постійною з похибкою <5%. Для визначення середньої енергії DT-нейтронів було обрано Zr/Nb метод, який є найбільш надійним серед експериментальних методів в діапазоні енергій нейтронів 1217МеВ та базується на використанні енергетичної залежності відношення величин перерізів ядерних реакцій ⁹⁰Zr(n,2n)^{89(g+0,9377m)}Zr та ⁹³Nb(n,2n)^92mNb, яке є майже лінійною функцією та досить швидко змінюється з енергією в діапазоні енергій нейтронів 1217МеВ. Ширина спектру DT-нейтронів на половині висоти розраховувалась за допомогою коду SPECTRON, а визначення величини густини потоку DT- нейтронів виконувалося з використанням моніторної реакції ⁹³Nb(n, 2n)^92mNb.

Середню енергію DD-нейтронів було визначено експериментально з результатів вимірювання відношення активності ядер продуктів активації, що утворюються в ядерних реакціях ¹¹⁵In(n,)^116(m1+m2)In та ¹¹⁵In(n,?n)^115mIn по аналогії до Zr/Nb методу. Визначення величини густини потоку DD- нейтронів виконувалося з використанням моніторної реакції ¹¹⁵In(n,?n)^115mIn. Для визначення ширини спектру DD нейтронів був розроблений числовий розрахунковий код, який методом Монте-Карло дозволяв виконати наближений розрахунок спектрів DD та DT нейтронів. В даному коді враховуються: діаметр мішені; діаметр зразка; товщина зразка; енергія налітаючих на мішень дейтронів та її розкид; процентний вміст молекулярної (D2⁺) та атомарної (D⁺) складової дейтронного пучка.

Для врахування впливу перерозсіяних нейтронів на величини перерізів, що вимірювались, їх спектр визначали шляхом проведення модельних розрахунків методом Монте-Карло в максимальному наближенні до реальних умов опромінення. Ці розрахунки проведені із застосуванням комп'ютерного коду MCNP4C.

Значення величини середньої густини потоку нейтронів в місці розташування зразків склало 5·10⁵?см^-2·с^-1 для DD-нейтронів та 1·10⁹?см^-2·с^-1 для DT-нейтронів.

Обробка даних виконувалася в наступній послідовності: з метою врахування ефектів “мертвого” часу виконувалася процедура коригування з використанням запропонованого диференційного методу вимірювання; виконувалася процедура вибору часового проміжку вимірювання, в якому співвідношення площ визначених піків до фону є максимальною; за періодами напіврозпаду виконувалася перевірка відповідності виявлених у спектрі піків лініям розпаду ядра ^182m2Та; виконувалася згортка за часом даних вимірювання з метою отримання енергетичних спектрів; виконувалася обробка гамма-спектрів із застосовуванням програми WinAdams.

Після розрахунку площ піків повного поглинання відповідних -ліній враховувалися поправки на ефекти самопоглинання гамма-квантів у зразку Ta, а також на ефекти каскадного додавання гамма-квантів. Ці поправки розраховувалися за напівемпіричними і розрахунковими методиками на основі методу Монте-Карло, які були розроблені на кафедрі ядерної фізики КНУ імені Тараса Шевченка.

При врахуванні внеску від вторинних нейтронів для ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n, )^182m2Ta використовувалися дані з бібліотеки EXFOR, а для ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,)^182gTa - оцінені дані із бібліотеки ENDF/B-VI та експериментальні дані із бібліотеки EXFOR.

Таким чином, в результаті проведення експериментальних досліджень було виміряно перерізи радіаційного поглинання нейтрона ядром ¹⁸¹Та з утворенням дочірнього ядра ¹⁸²Та у другому збудженому та у основному станах. Отримані дані представлено в таблиці 1.

Таблиця 1. Виміряні величини перерізу реакції ¹⁸¹Ta(n,)^182m2Ta

Також було отримано величину перерізу 29,02 мб для реакції ¹⁸¹Ta(n,)^182gTa при енергії нейтронів 2,85 МеВ. Цей результат добре узгоджується з даними інших дослідників, що є підтвердженням коректності методики вимірювань та проведених розрахунків.

В даному розділі виконано порівняння отриманих результатів з раніш відомими та даними бібліотек оцінених ядерних даних. Наведено отримані нами значення величин перерізів, дані інших дослідників та результати з бібліотек оцінених ядерних даних.

Слід зазначити, що отримане нами вперше значення перерізу реакції ¹⁸¹Ta(n,)^182m2Ta при енергії нейтронів 1,9 кеВ в межах похибок досить добре узгоджується з результатами, наведеними у бібліотеках оцінених ядерних даних JEF2.2 та ADL-3. В енергетичному діапазоні 125-165 кеВ раніше вже були виміряні величини досліджуваного перерізу, але для дещо інших енергій. Ці дані були отримані в Аргонській національній лабораторії (АНЛ) США в 1963 р. Порівняння отриманих нами результатів з даними з АНЛ свідчить про те, що між ними існує значна відмінність.

Для пояснення відмінності у результатах було проведено аналіз методики, яка використовувалась в АНЛ. З'ясувалося, що для визначення величини перерізу реакції ¹⁸¹Ta(n,)^182m2Ta в АНЛ використано відношення наведених швидкими та тепловими нейтронами активностей зразків і абсолютне значення (30±10) мб перерізу цієї реакції при енергії теплових нейтронів, як опорного перерізу. Порівняння наведеної величини перерізу з результатами, отриманими іншими авторами пізніше АНЛ та з використанням більш сучасних методів вимірювання показало, що ця величина завищена майже втричі. Саме цим і пояснюється завищення результатів АНЛ у порівнянні з нашими даними.

Отримане значення перерізу реакції ¹⁸¹Ta(n,)^182m2Ta при енергії нейтронів 14,34 МеВ дуже добре узгоджується з результатами, отриманими австрійськими дослідниками в 1980 році. В розділі наводиться аналіз методики визначення досліджуваного перерізу, яка не викликає сумніву у коректності отриманого значення перерізу. Для розуміння різниці у виміряних значеннях перерізу досліджуваної реакції при енергії налітаючих нейтронів 14,34 МеВ між нашими і австрійськими даними з однієї сторони та результатами, отриманими болгарськими дослідниками в 1994 р., було виконано аналіз болгарської методики проведення опромінювання та вимірювання активності зразків, а також запропонованого підходу для врахування ефектів, що можуть призвести до некоректної оцінки величин перерізів. Результати цього аналізу виявили ряд недоліків болгарської методики, які можуть пояснити існуючу відмінність між нашими результатами та результатами болгарських дослідників.

Базуючись на величинах виміряних перерізів та даних бібліотеки EXFOR було виконано розрахунок ізомерного відношення як _m/_g, де _m та _g перерізи утворення ядра ¹⁸²Та у другому метастабільному та основному станах відповідно.

Зазначається, що отримані величини ізомерних відношень, загалом, узгоджується з результатами інших авторів та даними бібліотек оцінених ядерних даних. Підтверджено, що ізомерне відношення в діапазоні енергій (150 ч 1800) кеВ збільшується більш ніж у п'ять разів.

Третій розділ роботи присвячено теоретичним розрахункам енергетичної залежності перерізів реакцій ¹⁸¹Ta(n, ) та відповідних ізомерних відношень. Усі розрахунки в даній роботі виконувалися з використанням програмного пакету Empire II версії 2.19.30 (BrookHaven, 2005). Основними причинами вибору саме цього коду для проведення розрахунків можна назвати такі: в ньому реалізовано основні сучасні моделі ядра та ядерних реакцій; врахована існуюча база експериментальних даних (EXFOR) для характеристик низько розташованих рівнів ядер та ймовірностей переходів між ними; існує достатньо детальна документація опису моделей, що реалізовані у коді; код є відкритим та з вільним доступом; він поширений та досить добре тестований. В роботі представлено опис основних розрахункових моделей програмного пакету Empire II, в якому реалізовані такі механізми ядерних реакцій, як статистична модель ядерних реакцій на основі теорії Хаузера-Фешбаха, набір моделей оптичного потенціалу (Морілона, Берсіллона, Конінга, Вілмора та інші), ексітонна модель із врахуванням закону збереження кутового моменту (код DEGAS), модель HRTW, яка була розроблена Ванденмюллером зі співавторами для врахування кореляцій каналів при статистичних розрахунках з утворенням компаунд-ядра, широкий набір моделей і наборів параметрів для розрахунку густин ядерних рівнів (в статистичній моделі). Розрахунки в рамках статистичного механізму базуються на принципах, запропонованих Хаузером і Фешбахом із врахуванням співвідношень законів збереження кутових моментів і парностей. Для врахування кореляцій між каналами використовувалася HRTW модель. В якості радіаційної силової функції може використовуватися: модель стандартного лоренціану Акселя-Брінка (SLO); модель підсиленого лоренціану Копецького-Ула (EGLO); варіанти моделі модифікованого лоренціану Плюйка (MLO1, MLO2, MLO3); узагальнена модель Фермі рідини Мухабхаба-Данжорда з узагальненням Плюйка (GFL). В роботі представлено результати дослідження впливу на величини розрахованих перерізів таких величин, як вид радіаційної силової функції, густина ядерних рівнів, максимальна величина мультипольності -переходів, а також внеску передрівноважних процесів та вигляду оптичного потенціалу.

Наведено результати розрахунків енергетичної залежності перерізу утворення основного та другого метастабільного стану ¹⁸²Та з та без врахування передрівноважних процесів.

В даних розрахунках використовувалася радіаційна силова функція - EGLO та густина рівнів за модифікованою (EmpireII) моделлю Фермі-газу зі спарюванням.

Встановлено, що найбільш суттєво на результати обчислення величин перерізів впливає вибір густини рівнів ядер в області енергій більше 1,5 МеВ та моделі опису дипольної радіаційної силової функції в області низьких енергій (менше 1 МеВ). В області низьких енергій різні вирази для радіаційних силових функцій значно впливають на розрахунки величин перерізів збудження другого метастабільного стану. В області >1,5 МеВ з'являється можливість розрядки компаунд ядра з великою ймовірністю ще через один рівень ядра і тому очікується збільшення перерізу. При збільшенні енергії нейтронів відкриваються конкуруючі канали ((n,2n), (n,)) і перерізи досліджуваної реакції виявляються заниженими при врахуванні лише процесів, які йдуть через компаунд-ядро. Врахування під час розрахунків максимальної мультипольності гамма-переходів, рівної 3, дозволяє краще описати експериментальні дані в області енергії до 100 кеВ. В області енергії більше 8 МеВ показано необхідність врахування вильоту -квантів до утворення рівноважного стану, що дозволяє задовільно описати експериментальні перерізи реакції, що досліджувалася. Найкраще узгодження з експериментальними даними досягається при використанні густини рівнів за модифікованою (EmpireII) моделлю Фермі-газу зі спарюванням та дипольних радіаційних силових функцій MLO1 та EGLO. Використання оптичного потенціалу Берсіллона дозволяє краще описати енергетичну залежність перерізу радіаційного поглинання з утворенням метастабільного стану в області середніх енергій.

ВИСНОВКИ

Вперше виконано математичне обґрунтування та експериментальне дослідження застосування диференційного підходу для вимірювання великих за величиною та змінних у часі потоків іонізуючого випромінювання. Апаратурно реалізовано диференційний метод корекції кількості втрачених імпульсів внаслідок ефектів “мертвого” часу для не енергодисперсійних та спектрометричних вимірювальних систем.

З використанням розвиненої в ІЯД НАНУ технології нейтронних інтерференційних фільтрів було вперше експериментально визначено величини перерізу реакції ¹⁸¹Та(n,)^182m2Ta для енергій нейтронів 1,9; 58,7 та 144,5 кеВ.

Вперше експериментально визначено величини перерізу реакції ¹⁸¹Та(n, )^182m2Ta та уточнено величину перерізу реакції ¹⁸¹Та(n, )^182gTa при енергії нейтронів 2,85 МеВ.

Уточнено величину перерізу реакції ¹⁸¹Та(n, )^182m2Ta при енергії нейтронів 14,34 МеВ.

З використанням програмного пакету EMPIRE II для обчислення характеристик ядерних реакцій досліджено вплив параметрів ядерних моделей на розрахунки перерізів радіаційного поглинання нейтронів ядром ¹⁸¹Та. Найкраще узгодження з експериментальними даними досягнуто при розрахунку густини рівнів за модифікованою (EmpireII) моделлю Фермі-газу зі спарюванням, використанні оптичного потенціалу Берсіллона, дипольних радіаційних силових функцій у підходах MLO1 та EGLO, врахуванні г-переходів з мультипольністю 3.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Галушка А.Н., Ермоленко Р.В., Каденко И.Н., Сторонский Ю.Б. Некоторые проблемные вопросы прикладной метрологии и пути их решения // Метрология и приборостроение. - 2001. -№1-2. - С. 53-60.

2. Каденко И.Н., Галушка А.Н., Ермоленко Р.В., Крупский Б.И., Сторонский Ю.Б. Дозиметр-радиометр --излучения с расширенным динамическим диапазоном // Приборы и техника эксперимента. - 2001. - №3. - с. 126 - 129. / Kadenko I.N., Galushka A.N., Yermolenko R.V., Krupskii B.I., Storonskii Yu.B. A Combination --Radiometer and Dose-Rate Meter with an Extended Dynamic Range // Instruments and Experimental Techniques. - 2001. - Vol.44, - P. 398-401.

3. Галушка А.Н., Ермоленко Р.В., Каденко И.Н., Сторонский Ю.Б. Дифференциальный метод измерения пуассоновских потоков // Метрология и приборостроение. - 2001. -№1-2. - С. 61-68.

4. Plujko V.A., Ezhov S.N., Kavatsyuk M.O., Grebenyuk A.A., Yermolenko R.V. Testing and Improvements of Gamma-Ray Strength Functions for Nuclear Model Calculations // Journal of Nuclear Science and Technology, Supplement 2. -2002. - P. 811-814.

5. Галушка А.М., Каденко І.М., Єрмоленко Р.В. Застосування диференційного підходу для оцінки характеристик пуассонівських потоків // Вісник Київського Університету, Сер. фіз. - мат. наук. -1999.-№3. - С. 369-377.

6. Каденко І.М., Єрмоленко Р.В., Яценко В.О., Бражій О.М. Пристрій зв'язку аналогово-цифрового перетворювача з персональним комп'ютером // Вісник Київського Університету, Сер. фіз. - мат. наук. - 2002. - №4. - С. 379-385.

7. Каденко І.М., Шевченко В.А., Єрмоленко Р.В. Прилад для розпаралелювання і обробки аналогових сигналів від детекторів ядерного випромінення // Патент України № 50354А, пріоритет від 25.12.2001.

8. Каденко І.М., Шевченко В.А., Єрмоленко Р.В., Геращенко Н.М. Пристрій для аналогового розпаралелювання сигналів у спектрометрах ядерного випромінювання // Вісник Київського університету. Сер. фіз. - мат. наук. - 2004. - №1. - С. 399-405.

9. Каденко І.М., Єрмоленко Р.В., Галушка А.М. Деякі аспекти вимірювань характеристик пуассонівських процесів // Збірник робіт VIII конференції Інституту ядерних досліджень. - 1999.- С. 130-134.

10. Каденко І.М., Єрмоленко Р.В., Галушка А.М. Метод формування радіаційного зображення з покращеними характеристиками // Збірник наукових праць “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів”. - Київ-Львів. - 2001. - С. 164 - 169.

11. Kadenko I., Galushka A., Yermolenko R. Method for shaping of improved radiation image // Proc. of International Symposium on Nondestructive Testing Contribution to the Infrastructure Safety Systems in the 21st Century. - Brazil, 1999. - P. 37-41.

12. Гребенюк О.А., Єрмоленко Р.В., Каденко І.М. Дослідження ефективності застосування диференційного методу для вимірювання потоків ядерного випромінювання // Thesis of International Conference. International Conference. Dynamical systems modelling and stability investigation. May 22-25, 2001. - P.160.

13. Kadenko I., Yermolenko R., Gritzay O., Libman V. Determination of cross sections for the reaction ¹⁸¹Ta(n, )^182m2Ta at neutron filtered beams. // Book of Abstract 5th Conference on Nuclear and Particle Physics 19-23 Nov. 2005, Cairo, Egypt. - P.44.

Размещено на Allbest.ru