Дослідження перерізів ядерних реакцій (n, x) на ядрах Y, La, Ta, Pb, Bi при енергії нейтронів 14 МеВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

УДК 539.172

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕРІЗІВ ЯДЕРНИХ РЕАКЦІЙ (n,x) НА ЯДРАХ Y, La, Ta, Pb, Bi ПРИ ЕНЕРГІЇ НЕЙТРОНІВ 14 МеВ

01.04.16 фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

Бєгун Сергій Васильович

Київ 2003

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,

старший науковий співробітник

Корж Іван Олександрович,

Інститут ядерних досліджень НАН України,

завідуючий відділом ядерної фізики.

кандидат фізико-математичних наук

Бондарьков Михайло Дмитрович,

Міжнародна радіоекологічна лабораторія (м.Славутич), директор.

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

Захист відбудеться 25.12. 2003 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради №Д26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України, 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 24.11. 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фіз.-мат. наук ______________ Осташко В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

ядерний реакція нейтрон

Актуальність теми. Однією з найбільш важливих областей ядерної фізики, що викликає незмінний інтерес, є дослідження взаємодії швидких нейтронів з атомними ядрами. Для різноманітних застосувань у науці і техніці потрібні дані для великої кількості нуклідів та практично для всіх ядерних реакцій викликаних нейтронами у широкому діапазоні енергій. Оптимальним підходом до вирішення цієї проблеми є поєднання цілеспрямованих експериментів для одержання нової більш достовірної інформації стосовно нейтронних даних з побудовою теоретичних оцінок на основі сучасних моделей ядерних реакцій для досягнення узгодженого опису. Порівнюючи результати теоретичних розрахунків з експериментальними даними можна отримати інформацію про механізми протікання ядерних реакцій. Відповідні теоретичні моделі та вибраний набір параметрів для цих моделей можуть бути використані для теоретичних оцінок у випадку, коли експериментальні дані відсутні або недостатньо надійні.

Експериментальні дані по перерізам ядерних реакцій (n,x) також використовуються для побудови напівемпіричних систематик. При побудові таких систематик розглядаються експериментальні дані для широкого діапазону ядер. Отримана за допомогою цих систематик інформація є основою для коректування теоретичних математичних залежностей при створенні бібліотек активаційних даних.

Побудовані на основі експериментальних даних бібліотеки оцінених ядерних даних широко використовуються для поточних розрахунків при експлуатації діючих блоків та для проектування нових блоків атомних електростанцій. Наприклад, в розрахунках за допомогою програми MCNP4C використовується бібліотека оцінених ядерних даних ENDF/BVI. До того ж, вивчення взаємодії нейтронів з енергією в області 14МеВ з атомними ядрами важливо для розвитку термоядерної технології з точки зору активації, радіаційної і, відповідно, механічної стійкості конструкційних матеріалів та проблем радіаційного захисту.

Таким чином, одержання нової та уточнення існуючої експериментальної інформації про процеси взаємодії швидких нейтронів з атомними ядрами, перевірка застосовності теоретичних моделей до описів процесів взаємодії та визначення на основі порівняння розрахунків з експериментальними даними механізмів протікання ядерних реакцій є актуальним питанням нейтронної фізики, вирішення якого буде сприяти не тільки розширенню теоретичних уявлень про механізми взаємодії, але також буде сприяти прогресу в ядерній енергетиці та інших областях науки і технології. На вирішення вказаних проблем і націлена дана робота.

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 науково-дослідної роботи по темі №97023 “Дослідження взаємодії швидких нейтронів з атомними ядрами, в тому числі перерізів ядерних реакцій, методами гамма-спектрометрії” (№ДР0197U003077).

Мета і завдання дослідження. Проведення незалежних від інших груп експериментаторів вимірів перерізів ядерних реакцій (n,x) при енергії нейтронів 14,5МеВ та функцій збудження ядерних реакцій (n,x) в діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ. Уточнення експериментальних результатів інших груп дослідників та отримання нової експериментальної інформації про перерізи ядерних реакцій (n,x) в даному діапазоні енергій нейтронів. Проведення теоретичних розрахунків перерізів ядерних реакцій. Отримання інформації про механізми протікання ядерних реакцій із порівняння результатів теоретичних розрахунків з експериментальними даними.

Наукове значення роботи. В роботі отримано нові експериментальні результати та уточнено результати інших груп експериментаторів. Усунено ряд неоднозначностей стосовно значень величин перерізів ядерних реакцій (n,x) в діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ.

Проведені автором представленої роботи теоретичні розрахунки в рамках статистичної та екситонної моделей вказують на значний внесок нерівноважних процесів в величини перерізів ядерних реакцій (n,x) у випадку емісії заряджених частинок, особливо на ядрах великої ваги.

Практичне значення роботи. Більшість отриманих в роботі експериментальних результатів внесено в міжнародний банк даних EXFOR (CSISRS) (Міжнародне Агентство з Атомної Енергії (МАГАТЕ), секція ядерних даних, Відень, Австрія). Отримані здобувачем експериментальні результати можуть суттєво вплинути на оцінені дані. Удосконалення інформації у відповідних банках оцінених даних призведе до підвищення надійності нейтронних розрахунків, зокрема в атомній енергетиці та термоядерній технології.

Особистий внесок здобувача. Основою представленої дисертації є експериментальні результати, тому всі наукові праці опубліковані у співавторстві. Безпосередньо автором на основі моделювання експерименту та аналізу результатів попередніх опромінювань досліджуваних зразків оптимізовано умови проведення експерименту для кожної із досліджуваних ядерних реакцій; проведено вимірювання та оброблено 237 гамма-спектрів ядер продуктів активації та 183 гамма-спектри калібрувальних джерел; запропоновано використовувати Zr/Nb метод для визначення енергії нейтронів, побудовані енергетичні залежності перерізів реакцій ⁹⁰Zr(n,2n)^{89(g+0,9377m)}Zr, ⁹³Nb(n,2n)^92mNb та відповідно Zr/Nb відношення в діапазоні енергій нейтронів 1217МеВ; запропоновано використання методу Монте-Карло для врахування ефекту поглинання гамма-квантів у зразках, створено алгоритм та проведені розрахунки, експериментально доведено коректність методики врахування цього ефекту; на основі відомих методів врахування ефекту каскадного додавання гамма-квантів створено алгоритм та проведені розрахунки для конкретних умов вимірювання гамма-спектрів, експериментально доведено коректність методики врахування цього ефекту; проведені теоретичні розрахунки для більшості досліджених в роботі перерізів ядерних реакцій (n,x) при енергії нейтронів 14,5МеВ та функцій збудження в діапазоні енергій нейтронів 1020МеВ за допомогою програми STAPREH95.

Апробація результатів дисертації. Всі результати, що представлені в дисертації доповідались та обговорювались на щорічних наукових конференціях Інституту ядерних досліджень НАН України, 2629 січня 1999 року, 2528 січня 2000 року та 30 січня 2 лютого 2001 року; на Міжнародних конференціях з ядерної фізики “50 лет ядерным оболочкам”, 2124 квітня 1999 року, м. Дубна, Росія; “Кластеры в ядерной физике”, 1417 червня 2000 року, м. Санкт-Петербург, Росія; “Свойства возбужденных состояний атомных ядер и механизмы ядерных реакций”, 38 вересня 2001 року, м. Саров, Росія; на Міжнародній конференції по ядерним даним для науки та технології “Embracing the Future at the Beginning of the 21st Century”, 712 жовтня 2001 року, м. Тсукуба, Японія; на науково-теоретичній конференції “Київський університет як осередок національної духовності, науки, культури”, 17 вересня 1999 року, Київський національний університет імені Тараса Шевченка; на наукових семінарах на кафедрі ядерної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка 22 березня 2001 року, 20 грудня 2001 року й 12 червня 2003 року; на семінарі “База ядерных данных в Славутиче и перспективы ее развития для ядерной отрасли Украины”, 2526 вересня 2000 року, м. Славутич, Україна; на об'єднаному семінарі відділів ядерних реакцій, ядерної фізики та нейтронної фізики Інституту ядерних досліджень НАН України 1 липня 2003 року.

Публікації. Всі результати представлені в роботі опубліковані у чотирьох статтях у реферованих наукових фахових виданнях та у тезах чотирьох Міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 176 найменувань. Дисертація викладена на 145 сторінках, загальний обсяг дисертації визначений Порядком 118 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається загальна характеристика роботи. При цьому дається досить широкий огляд літератури, тому огляд літератури не виділяється як окремий розділ в дисертації. В кожному розділі дисертації проводиться більш детальний огляд літератури за темою розділу.

В першому розділі обгрунтовується вибір методики експерименту, наводиться опис основних експериментальних установок, методу визначення величин перерізів ядерних реакцій (n,x) та методу оптимізації умов проведення експерименту, проводиться аналіз похибок.

Методи дослідження. Зразки металів (фольги або пластинки) Y, La, Ta, Pb і Bi опромінювались швидкими нейтронами. Для отримання швидких нейтронів використаний нейтронний генератор НГ300/15 та ядерна реакція ³H(d,n)⁴He. За рахунок розташування зразків під різними кутами відносно вісі пучка дейтронів середня по зразку енергія нейтронів змінюється від 13,5 до 14,6МеВ. Середня по зразку енергія нейтронів визначалась експериментально за допомогою Zr/Nb методу. Тільки для оцінки величин середньої енергії нейтронів, розмиття пучка нейтронів по енергії та оптимізації геометрії опромінювання зразків використовувалась комп'ютерна програма SPECTRON, яка була розроблена співробітниками Радієвого інституту ім.В.Г.Хлопіна (Санкт-Петербург, Росія). В розрахунках за допомогою цієї програми враховувались реальні розміри джерела нейтронів і зразків. Розрахунки проводились з використанням діючих параметрів нейтронного генератора НГ300/15.

Величини перерізів ядерних реакцій визначались експериментально за допомогою нейтронно-активаційного методу. Гамма-спектри ядер продуктів активації вимірювались на спектрометрі з напівпровідниковими Ge(Li)- або HPGe- детекторами та на чотирьохкристальному антикомптонівському гамма-спектрометрі.

Вимірювання гамма-спектрів виконувалось в різних умовах, що пов'язано з необхідністю:

визначення внеску від ефектів поглинання гамма-квантів в зразках (самопоглинання) та каскадного додавання гамма-квантів;

проведення аналізу на період напіврозпаду;

коректної ідентифікації гамма-ліній. Так, при вимірюваннях в геометрії “впритул до детектора” та наявності в схемах розпаду ядер продуктів активації каскадних гамма-переходів, в спектрах з'являються гамма-лінії, що пов'язані з ефектом каскадного додавання гамма-квантів.

При цьому проводився ретельний пошук гамма-ліній, що відповідають всім можливим каналам ядерних реакцій. При аналізі враховувалась інформація про пороги ядерних реакцій. В результаті ідентифікувались радіоактивні ядра і відповідні канали ядерних реакцій. Паралельно проводився аналіз зразків на присутність в них атомів інших хімічних елементів (домішок). Попередній контроль зразків на присутність в них домішок інших хімічних елементів проводився за допомогою рентгено-флюоресцентного аналізу.

При обробці гамма-спектрів враховувався ефект поглинання гамма-квантів у зразках (самопоглинання). Для цього проводились модельні розрахунки з використанням методу Монте-Карло для конкретних умов проведення вимірювань. При наявності в схемах розпаду каскадних гамма-переходів враховувався ефект каскадного додавання гамма-квантів.

Величини перерізів ядерних реакцій на досліджуваних ядрах визначались відносно опорних перерізів ядерних реакцій ²⁷Al(n,p)²⁷Mg, ²⁷Al(n,)²⁴Na, ⁹⁰Zr(n,2n)^{89(g+0,9377m)}Zr та ⁹³Nb(n,2n)^92mNb. З метою максимально точного відтворення умов опромінювання досліджуваних зразків зразки-монітори виготовлялись такої самої форми як досліджувані зразки. На час опромінювання досліджувані зразки з двох сторін обкладались зразками-моніторами. Гамма-спектри досліджуваних зразків та зразків-моніторів вимірювались роздільно в однакових геометричних умовах.

Умови проведення експерименту оптимізувались для кожної із досліджуваних ядерних реакцій. Оптимізація полягала у виборі розмірів зразків, геометрії опромінювання, геометрії вимірювання гамма-спектрів, часу опромінювання, часу вимірювання гамма-спектрів, часу витримки.

При опромінюванні зразків в геометрії “впритул до джерела нейтронів” (відстань джерело нейтронів-зразок 4мм) не мало сенсу виготовляти зразки діаметром менше розмірів джерела нейтронів (10мм), тому що це не приводило до значного зменшення ширини на половині висоти усередненого по зразку спектру нейтронів. Максимальна величина діаметру обмежувалась вимогами до розподілу активності по об'єму зразків. Так, у випадку опромінювання зразка діаметром 20мм та товщиною 100мкм відношення активності в центральній точці на ближній до джерела нейтронів основі зразка до активності в крайній точці на протилежній основі зразка 3,8 за рахунок нерівномірного розподілу густини потоку нейтронів. В результаті, подальше збільшення діаметру (20мм) приводило до суттєво нерівномірного розподілу активності по об'єму зразка при незначному збільшенні сумарної активності. Товщина зразків із аналогічних міркувань обмежувалась 2,5мм. Тому використовувались зразки діаметром 1215мм та товщиною від 10мкм до 2мм. Визначене за допомогою Zr/Nb методу для таких умов опромінювання значення величини середньої по зразку енергії нейтронів E_n=(14,500,04)МеВ. При цьому зроблена на основі розрахунків за допомогою програми SPECTRON оцінка величини половини ширини на половині висоти усередненого по зразку спектру нейтронів складає E_n=0,18МеВ. Варіація величини E_n для зразків різних розмірів у всіх випадках не перевищувала 0,02МеВ; при цьому варіація величини E_n не перевищувала 3%. Тому наведені вище величини E_n та E_n використовувались для всіх зразків. Величина середньої по зразку густини потоку нейтронів в таких умовах 1,510⁹см^-2с^-1.

При вимірюванні функцій збудження ядерних реакцій геометрія розташування зразків при опромінюванні нейтронами та розміри зразків також оптимізувались за допомогою програми SPECTRON. При виборі геометрії, по-перше, треба було враховувати мінімальну наведену активність зразків, необхідну для визначення величин перерізів реакцій з достатньою точністю. По-друге, на вибір впливала мінімізація інтервалу енергій нейтронів, що перекривається розмірами зразка. При цьому за основу бралися наведені активності зразків, що були отримані при опромінюванні “впритул” до джерела нейтронів. В таких умовах була зроблена експериментальна оцінка величини середньої густини потоку нейтронів для зразків діаметром 14мм 1,510⁹см^-2с^-1. Маючи це на увазі, за допомогою програми SPECTRON проводились розрахунки відносної зміни середньої густини потоку нейтронів та ширини їх спектру в залежності від розмірів зразків та їх відстані до джерела нейтронів. На основі таких розрахунків були вибрані оптимальні розміри (діаметр та товщина) зразків та відстань “зразок-джерело нейтронів”. В результаті опромінювання всіх зразків танталу й свинцю проводилось на відстані 75мм від джерела нейтронів під кутами 0, 30, 60, 90, 120 та 150градусів. Діаметр всіх зразків танталу й свинцю складав 30мм, а товщина обиралася в діапазоні від 100 до 800мкм в залежності від досліджуваного каналу ядерної реакції. Середня по зразку густина потоку нейтронів була оцінена експериментально. Величина її для вибраних умов опромінювання складала 1,310⁷см^-2с^-1.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується шляхом послідовної перевірки основних складових методики експерименту та перевіркою методики в цілому.

Аналіз похибок. Використання відносного методу для вимірювання величин перерізів ядерних реакцій дозволило суттєво зменшити вплив систематичних похибок. Внесок систематичних похибок в кінцеву похибку визначення величин перерізів, до того ж, мінімізувався на основі моделювання експерименту та аналізу результатів попередніх опромінювань досліджуваних зразків за рахунок оптимізації умов постановки експерименту для кожної із досліджуваних ядерних реакцій.

Кінцева похибка визначення перерізів ядерних реакцій за допомогою запропонованої методики залежала від наступних факторів:

статистична похибка при вимірюванні площі гамма-піків 0,130%;

точність врахування внеску в величини площі гамма-піків від інтерферуючих процесів та інтерферуючих ядерних реакцій 1,5%;

точність калібрування гамма-спектрометрів 1%;

похибка поправки на ефект поглинання гамма-квантів у зразку 0,252,3%;

похибка поправки на ефект каскадного додавання гамма-квантів 0,11,8%;

різні умови опромінювання досліджуваного зразка та зразків-моніторів, що приводило до різного розподілу активності по об'єму досліджуваного зразка та по об'єму зразків-моніторів 0,32%;

відтворюваність та точність знання геометричних умов опромінювання зразків та вимірювання гамма-спектрів 1%;

точність даних про розпад ядер продуктів активації 0,110%;

точність знання перерізу опорної ядерної реакції 0,52%;

вплив вторинних (розсіяних) нейтронів 1,6%;

збурення потоку нейтронів зразками 0,25%;

точність вимірювання маси зразків 0,1%;

похибки визначення вмісту домішок в зразках 0,5%;

нестабільність апаратури 1,5%;

інші джерела похибок 0,52%.

За рахунок оптимізації умов проведення експерименту похибка в кінцевому результаті в основному визначалась статистичною похибкою при вимірюванні площі гамма-піків. Обробка похибок кожного окремого результату здійснювалась за стандартною процедурою. Після чого, застосовуючи метод найменших квадратів, проводилось усереднення. Для усереднення використовувались програми LSMOD та GLSMOD (SmithD.L., Argonne National Laboratory, USA).

В другому розділі пояснюється вибір ядер для дослідження, детально розкривається процедура вибору та оптимізації умов проведення експерименту в кожному окремому випадку, приводяться результати вимірювань перерізів ядерних реакцій (n,x) на ядрах Y, La, Ta, Pb і Bi при енергії нейтронів 14,5МеВ та функцій збудження ядерних реакцій (n,x) на ядрах Ta і Pb в діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ, на основі порівняння з результатами досліджень інших груп експериментаторів показано новизну здобутих результатів.

При виборі ядер були використані наступні критерії:

кількість експериментальних робіт присвячених дослідженню перерізів ядерних реакцій (n,x) на ізотопах даного хімічного елементу при енергії нейтронів 14МеВ. Повнота висвітлення даної проблеми в цих роботах та ступінь узгодженості результатів різних груп експериментаторів;

можливість визначення перерізів ядерних реакцій (n,x) на ізотопах даного хімічного елементу активаційним методом на фоні інтерферуючих процесів з використанням гамма-спектрометрії;

ступінь використання даного хімічного елементу в ядерних технологіях.

В результаті були обрані наступні хімічні елементи: Y, La, Ta, Pb, Bi. Для дослідження були обрані переважно реакції з вильотом заряджених частинок, що в основному пов'язано з необхідністю отримання нової експериментальної інформації та усунення розбіжностей стосовно величин перерізів. В тому числі, для перевірки методики експерименту в цілому, в роботі було заплановано вимірювання перерізів ядерних реакцій ⁸⁹Y(n,2n)⁸⁸Y, ²⁰⁴Pb(n,n)^204mPb та ²⁰⁴Pb(n,2n)^203(m1+m2+g)Pb, які були надійно визначені іншими групами експериментаторів.

Основні здобуті експериментальні результати зведені в табл.1,2 та на рис.15. В результаті проведених досліджень при енергії нейтронів 14,5МеВ:

Вперше виміряно перерізи ядерних реакцій ¹³⁸La(n,)^135mCs та ¹³⁹La(n,n)^135mCs, максимальні значення величини перерізів цих реакцій (див. табл. 1). Більш детальна ідентифікація потребує досліджень із зразками, в яких співвідношення вмісту ¹³⁸La та ¹³⁹La буде відрізнятись від природного. Такого зміщення даного співвідношення, в принципі, можна досягнути опромінюючи зразки лантану тепловими або резонансними нейтронами;

Уточнено величину перерізу ядерної реакції ¹³⁹La(n,t)^137mBa (див. табл.1). Досягти такої точності вдалось за рахунок використання антикомптонівського гамма-спектрометра;

Проведено незалежні вимірювання перерізу ядерної реакції ²⁰⁸Pb(n,)^205(m+g)Hg. Результати досліджень інших груп експериментаторів опубліковано лише у двох роботах. Підтверджено та уточнено результат роботи ((0,420,04)мб, KneffD.W. et al., 1985), який більш ніж у три рази відрізняється від представленого в роботі ((1,580,24)мб, ColemanR.F. et al., 1959);

Проведено незалежні вимірювання перерізу ядерної реакції ²⁰⁹Bi(n,)^206mTl (див. табл. 1). Підтверджено результат єдиної роботи, в якій експериментально визначено переріз цієї реакції ((9,81,5)10^-3мб, UrayI. et al., 1978).

В діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ:

Вперше виміряно функцію збудження ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,)^178gLu у вказаному діапазоні енергій нейтронів .

Це стало можливим завдяки використанню фільтрів із вольфраму та свинцю при вимірюванні гамма-спектрів.

Представляє інтерес подальше дослідження функції збудження цієї реакції в області 1516МеВ;

Проведено незалежні вимірювання функції збудження ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,d)^180mHf у вказаному діапазоні енергій нейтронів.

За рахунок використання фільтрів із вольфраму та свинцю при вимірюванні гамма-спектрів величини перерізів визначені в цілому з кращою точністю ніж в єдиній роботі, в якій виміряно переріз даної реакції (функція збудження в діапазоні енергій нейтронів 13,414,9МеВ).

Крім того, результати систематично вищі ніж в цій роботі, що пов'язано з недооцінкою в ній роботі впливу ефекту каскадного додавання гамма-квантів при вимірюваннях гамма-спектрів;

Проведено незалежні вимірювання функції збудження ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,)^178mLu у вказаному діапазоні енергій нейтронів. Слід відмітити суттєву розбіжність результатів інших груп експериментаторів. Функцію збудження цієї реакції виміряно тільки в одній роботі (KasugaiY. et al., 1992, діапазон енергій нейтронів 13,414,9МеВ).

Виміряні значення величин перерізів знімають неоднозначність. Виміряно функцію збудження ядерної реакції ²⁰⁸Pb(n,p)²⁰⁸Tl у вказаному діапазоні енергій нейтронів (табл.2, рис.4). Не дивлячись на велику кількість робіт, в яких визначено переріз цієї реакції в даному діапазоні енергій нейтронів, існує суттєва розбіжність між результатами різних груп експериментаторів. Тільки в одній із цих робіт (БеловицкийГ.Е. и др., 1983, диапазон энергий нейтронов 1220МеВ) досліджено функцію збудження даної реакції, але в ній невдало обрано опорну ядерну реакцію.

Результати вимірювань значно змінюють хід функції збудження цієї реакції в діапазоні енергій нейтронів 13,514,3МеВ та уточнюють дані робіт інших авторів.

Здобуті експериментальні результати будуть сприяти узгодженню та удосконаленню експериментальних даних по перерізам ядерних реакцій (n,x) в діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ.

Більшість отриманих в роботі експериментальних результатів внесено в міжнародний банк даних EXFOR (CSISRS) (Міжнародне Агентство з Атомної Енергії (МАГАТЕ), секція ядерних даних, Відень, Австрія). Відповідні номери файлів в банку даних:

перерізи ядерних реакцій на ⁸⁹Y: 3220400232204004;

перерізи ядерних реакцій на ¹⁸¹Ta: 3220200232202005, 3220700232207005;

перерізи ядерних реакцій на ізотопах Pb: 3220500232205006, 32207006 32207008;

перерізи ядерних реакцій на ²⁰⁹Bi: 32205007.

Планується внесення в банк даних EXFOR (CSISRS) уточнених величин перерізів ядерних реакцій (n,x) на ядрах Y, La, Ta, Pb, Bi з врахуванням представлених в останній роботі результатів отриманих в дисертації для енергії нейтронів 14,5 МеВ.

По мірі удосконалення та уточнення експериментальної інформації проводиться періодичне оновлення банків оцінених даних. Отримані здобувачем експериментальні результати можуть суттєво вплинути на оцінені дані:

Представлені в JENDL3.2 та CENDL2 по реакції ¹⁸¹Ta(n,)_m+g (рис.5). В банках оцінених даних ENDF/BVI, JEF2 та BROND2 інформація стосовно цієї реакції взагалі відсутня;

Представлені в ENDF/BVI та BROND2 по реакції ²⁰⁶Pb(n,);

Представлені в JENDL3.2, BROND2 та в меншій мірі на дані банку ENDF/BVI по реакції ²⁰⁸Pb(n,p);

Представлені в JENDL3.2, BROND2 та ENDF/BVI по реакції ²⁰⁸Pb(n,)_m+g.

Так, до 2005 року заплановано вихід нової версії банку оцінених ядерних даних ENDF/B ENDF/BVII. Удосконалення інформації у відповідних банках оцінених даних призведе до підвищення надійності нейтронних розрахунків, зокрема в атомній енергетиці та термоядерній технології. Здобуті експериментальні результати особливо важливі в зв'язку з тим, що в Росії, в рамках проекту “Ядерная технология естественной безопасности” (МинАтом, Россия) та в інших державах світу планується розробка та побудова атомних електростанцій нового покоління з енергетичними ядерними реакторами підвищеної безпеки на швидких нейтронах, теплоносієм в яких буде рідкий метал свинець або евтектика PbBi.

В третьому розділі наводиться опис теоретичної моделі розрахунку перерізів ядерних реакцій (n,x), обгрунтовується вибір теоретичних параметрів, приводяться результати теоретичних розрахунків для більшості досліджених в роботі перерізів ядерних реакцій (n,x) при енергії нейтронів 14,5МеВ та функцій збудження в діапазоні енергій нейтронів 1020МеВ, на основі порівняння результатів теоретичних розрахунків з експериментальними даними зроблено висновки щодо основних механізмів протікання досліджуваних ядерних реакцій.

Розрахунки виконані з використанням програми STAPRE-H95 версії за серпень 1995 року. Ця програма верифікована у багатьох лабораторіях світу. З метою визначення внеску нерівноважних процесів в інтегральний переріз були проведені розрахунки перерізів ядерних реакцій з врахуванням та без врахування нерівноважних процесів. За основу при цьому була взята ідея досягти узгодженого опису однотипних експериментальних даних для широкого діапазону мас ядер за допомогою єдиного набору вхідних параметрів для розрахунку в даному діапазоні енергій нейтронів. Тому для розрахунків використані набори теоретичних параметрів взяті із систематик.

Результати розрахунків вказують на значний внесок нерівноважних процесів в величини перерізів ядерних реакцій (n,x) у випадку емісії заряджених частинок, зокрема 99% для (n,p) реакцій при енергії нейтронів 14МеВ.

ВИСНОВКИ

При енергії нейтронів 14,5 МеВ:

Вперше виміряно максимальні значення величин перерізів ядерних реакцій ¹³⁸La(n,)^135mCs та ¹³⁹La(n,n)^135mCs. За рахунок використання антикомптонівського гамма-спектрометра уточнено значення величини перерізу ядерної реакції ¹³⁹La(n,t)^137mBa. Знято неоднозначність щодо значення величини перерізу ядерної реакції ²⁰⁸Pb(n,)^205(m+g)Hg.

В діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ:

Вперше виміряно функцію збудження ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,)^178gLu у вказаному діапазоні енергій нейтронів. Представляє інтерес подальше дослідження функції збудження цієї реакції в області 1516МеВ.

Результати незалежних вимірювань суттєво змінюють хід функції збудження ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,d)^180mHf у вказаному діапазоні енергій нейтронів. Знято неоднозначність стосовно ходу функції збудження ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,)^178mLu у вказаному діапазоні енергій нейтронів.

Виміряно функцію збудження ядерної реакції ²⁰⁸Pb(n,p)²⁰⁸Tl у вказаному діапазоні енергій нейтронів. Результати вимірювань значно змінюють хід функції збудження цієї реакції в діапазоні енергій нейтронів 13,514,3МеВ та уточнюють дані робіт інших авторів.

Отримані здобувачем експериментальні результати можуть суттєво вплинути на оцінені дані по ядерним реакціям ¹⁸¹Ta(n,)_m+g, ²⁰⁶Pb(n,), ²⁰⁸Pb(n,p), ²⁰⁸Pb(n,)_m+g.

Теоретичні розрахунки.

Проведені автором представленої роботи теоретичні розрахунки в рамках статистичної та екситонної моделей вказують на значний внесок нерівноважних процесів в величини перерізів ядерних реакцій (n,x) у випадку емісії заряджених частинок.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

БегунС.В., КаденкоИ.Н., МайданюкВ.К., НеплюевВ.М., ПрименкоГ.И., ТаракановВ.К. Сечения ядерных реакций (n,x) на ядрах ⁸⁹Y, ¹³⁹La и ¹⁸¹Ta при энергии нейтронов 14,6 МэВ // Известия РАН. Серия физическая. 2000. Т.64, №5. С.10171018.

БєгунС.В., КаденкоІ.М., МайданюкВ.К., НеплюєвВ.М., ПрименкоГ.І., ТаракановВ.К. Функція збудження ядерної реакції ¹⁸¹Ta(n,)^178gLu в діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ // Вісник Київського університету. Серія фізико-математичні науки. 2001. Вип.№1. С.396400.

БєгунС.В., КаденкоІ.М., МайданюкВ.К., НеплюєвВ.М., ПрименкоГ.І., ТаракановВ.К. Визначення перерізів ядерних реакцій (n,x) на свинці та вісмуті при енергії нейтронів 14,6 МеВ // Збірник наукових праць Інституту ядерних досліджень. К.: Інститут ядерних досліджень НАН України, 2001. №2(4). С.5355.

BegunS.V., KadenkoI.M., MaidanyukV.K., NeplyuevV.M., PlujkoV.A., PrimenkoG.I., TarakanovV.K. Determination of the cross sections of (n,x) nuclear reactions on Y, La, Ta, Pb and Bi at the energy of neutrons about 14MeV // Journal of Nuclear Science and Technology. 2002. Suppl.2, Vol.1. P.425428.

БегунС.В., ЖелтоножскийВ.А., КаденкоИ.Н., МайданюкВ.К., НеплюевВ.М., ПрименкоГ.И., ТаракановВ.К. Определение сечений ядерных реакций (n, x) на Ta при энергии нейтронов 14,6 МэВ // Тезисы докладов Международной конференции по ядерной физике “50 лет ядерным оболочкам”, 2124апреля1999г., г.Дубна, Россия. Санкт-Петербург: Российская АН. 1999. С.323.

БегунС.В., КаденкоИ.Н., МайданюкВ.К., НеплюевВ.М., ПрименкоГ.И. ТаракановВ.К. Сечения ядерных реакций (n, x) на Pb и Bi при энергии нейтронов 14,6 МэВ // Тезисы докладов Международной конференции по ядерной физике “Кластеры в ядерной физике”, 1417 июня 2000г., г.Санкт-Петербург, Россия. Санкт-Петербург: Российская АН. 2000. С.309.

БегунС.В., КаденкоИ.Н., МайданюкВ.К., НеплюевВ.М., ПлюйкоВ.А., ПрименкоГ.И., ТаракановВ.К. Функции возбуждения реакций (n,x) на Ta и Pb в диапазоне энергий нейтронов 13,514,6МэВ // Тезисы докладов Международной конференции по ядерной физике “Свойства возбужденных состояний атомных ядер и механизмы ядерных реакций”, 38 сентября 2001г., г.Саров, Россия. Саров: Российский Федеральный ядерный центр Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики. 2001. С.203.

BegunS.V., KadenkoI.M., MaidanyukV.K., NeplyuevV.M., PlujkoV.A., PrimenkoG.I., TarakanovV.K. Determination of the cross sections of (n,x) nuclear reactions on Y, La, Ta, Pb and Bi at the energy of neutrons about 14MeV // Abstracts. International Conference on Nuclear Data for Science and Technology “Embracing the Future at the Beginning of the 21st Century”, October 712, 2001, Tsukuba, Japan. Tsukuba (Japan). 2001. P.1.3P47.

Begun S.V. Investigation of the Cross Sections of (n,x) Nuclear Reactions on Y, La, Ta, Pb, Bi at the Energy of Neutrons 14 MeV. Manuscript.

Thesis for the Candidate's of Sciences degree (Physics and Mathematics).

01.04.16 Physics of the Nucleus, Elementary Particles and High Energies. Institute for Nuclear Research, National Academy of Sciences of Ukraine. Kyiv, 2003.

Experimental procedure. The samples under study were irradiated by 14MeV neutrons produced by neutron generator NG-300/15. The reaction T(d,n)⁴He was used. Ions D₂⁺ of the beam was accelerated to energy 220keV. The diameter of deuteron beam on the TTi target was 10mm. The average neutron flux density at the irradiation points was determined by using monitor-samples; to do this, the samples were covered by two foils of Nb, Zr or Al. The reference reactions for the flux density measurements were ²⁷Al(n,p)²⁷Mg, ²⁷Al(n,)²⁴Na, ⁹⁰Zr(n,2n)^{89(g+0.9377m)}Zr and ⁹³Nb(n,2n)^92mNb. The energy dependence of the cross sections for reactions ⁹³Nb(n,2n)^92mNb and ⁹⁰Zr(n,2n)^{89(g+0.9377m)}Zr were evaluated. These excitation functions were used for determination of average neutron energy at the irradiation points by Zr/Nb method. The samples of Y and Ta were covered by Cd foils to reduce the influence of the thermal neutrons. The samples of natural Y, La, Ta, Pb and Bi were examined on purity by preliminary X-ray fluorescent analysis and by neutron activation method.

As a first stage, the samples were irradiated in “close” geometry (distance to TTi target 4mm). Diameter of samples were 1215mm with thickness from 10m to 2mm. The average neutron flux density at this geometry was 1.510⁹cm^-2s^-1; corresponding average neutron energy (14.500.04)MeV. The energy resolution in this case was 0.18MeV(FWHM)/2. The value of full width at half maximum (FWHM) was derived from the calculated neutron energy profile. The conditions of experiment for measurements of excitation functions of (n,x) reactions on Ta and Pb were optimized using results obtained for 14.5MeV neutron average energy (“close” geometry of irradiation). As a result of this optimization the following conditions have been chosen: distance to TTi target 75mm; diameter of samples 30mm; thickness of samples 100800m. The angles of the irradiation position to the D₂⁺ beam were 0, 30, 60, 90, 120 and 150. The average neutron flux density at this geometry was 1.310⁷cm^-2s^-1.

The spectra of activation products were measured both by in-line gamma-spectrometer with Ge(Li)- and HPGe- detectors and by four-crystals Compton suppression spectrometer. Some of the gamma-spectra were measured using W or Pb filters in order to reduce the influence of intensive low energy gamma-radiation. Most of the spectra were measured in close geometry. The corrections on true coincidence summing were applied. The method was controlled experimentally by measurements of some spectra in “close” and “far” geometries. The corrections on self-absorption of gamma-rays in the sample material were made by Monte-Carlo method. These corrections also were experimentally checked by comparing the corrected results with that ones obtained with thin samples when self-absorption was negligible. All data on the decay of radioactive nuclei were taken from. Information on the Qvalues of the nuclear reactions also was taken into account.

Main experimental results. New experimental results were obtained for ¹³⁸La(n,)^135mCs, ¹³⁹La(n,n)^135mCs and for ¹⁸¹Ta(n,)^178gLu nuclear reactions. Determined results for ¹⁸¹Ta(n,d)^180mHf and ²⁰⁸Pb(n,p)²⁰⁸Tl significantly improve existing experimental information. Experimental results for ¹⁸¹Ta(n,)^178mLu and ²⁰⁸Pb(n,)^205(m+g)Hg reactions remove the ambiguity concerning the values of the cross sections of these nuclear reactions.

Measured values of nuclear reactions cross sections could significantly affect evaluated data for subsequent nuclear reactions: ¹⁸¹Ta(n,)_m+g, ²⁰⁶Pb(n,), ²⁰⁸Pb(n,p), ²⁰⁸Pb(n,)_m+g.

Theoretical calculations. The code STAPRE-H95 was used for theoretical calculations of the nuclear reactions cross sections. The nuclear reactions cross sections were calculated within the framework of the multistep statistical model. The preequilibrium processes were taken into account by means of exciton model. The unified set of theoretical parameters for this region of neutron energies were used. The theoretical parameters were taken from systematics. A comparison of the theoretical calculations with experimental data shows the great contribution of the preequilibrium processes to the nuclear reaction cross sections, in particular it reaches almost 99 % in (n, p) reactions.

Keywords: activation method, cross section, (n,x) nuclear reaction, DT-neutrons.

Бєгун С.В. Дослідження перерізів ядерних реакцій (n, x) на ядрах Y, La, Ta, Pb, Bi при енергії нейтронів 14 МеВ. 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, 2003.

Виміряно перерізи ядерних реакцій (n,x) на ядрах ⁸⁹Y, ¹³⁸La, ¹³⁹La, ¹⁸¹Ta, ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁸Pb і ²⁰⁹Bi при енергії нейтронів 14,5МеВ та функції збудження ядерних реакцій (n,x) на ядрах ¹⁸¹Ta, ²⁰⁴Pb, ²⁰⁸Pb в діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ. Переважно це реакції з вильотом заряджених частинок. Здобуті нові експериментальні результати та уточнено результати інших груп експериментаторів. Усунено ряд неоднозначностей стосовно значень величин перерізів ядерних реакцій (n,x) в діапазоні енергій нейтронів 13,514,6МеВ.

Результати теоретичних розрахунків в рамках статистичної та екситонної моделей вказують на значний внесок нерівноважних процесів в величини перерізів ядерних реакцій (n,x) у випадку емісії заряджених частинок.

Ключові слова: активаційний метод, переріз реакції, (n,x) ядерна реакція, DT-нейтрони.

Бегун С.В. Исследование сечений ядерных реакций (n,x) на ядрах Y, La, Ta, Pb, Bi при энергии нейтронов 14 МэВ. 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, 2003.

Измерены сечения ядерных реакций (n,x) на ядрах ⁸⁹Y, ¹³⁸La, ¹³⁹La, ¹⁸¹Ta, ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁸Pb, ²⁰⁹Bi при энергии нейтронов 14,5МэВ и функции возбуждения ядерных реакций (n,x) на ядрах ¹⁸¹Ta, ²⁰⁴Pb, ²⁰⁸Pb в диапазоне энергий нейтронов 13,514,6МэВ. В основном это реакции с вылетом заряженных частиц. Получены новые экспериментальные результаты, уточнены результаты других групп экспериментаторов. Устранено ряд неоднозначностей касающихся значений величин сечений ядерных реакций (n,x) в диапазоне энергий нейтронов 13,514,6МэВ.

Результаты теоретических расчётов в рамках статистической и экситонной моделей указывают на значительный вклад неравновесных процессов в величины сечений ядерных реакций (n,x) в случае эмиссии заряженных частиц.

Ключевые слова: активационный метод, сечение реакции, (n,x) ядерная реакция, DT-нейтроны.

Размещено на Allbest.ru

...