1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 9, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 9, стр. 1304-1308

Соотношение выходов каналов распада основного и возбужденного состояния ядра 7Li при взаимодействии нейтрона с энергией свыше 1 МэВ и ядра 10B

С. И. Поташев 1, 2, *, А. А. Каспаров 1, В. Н. Пономарев 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Институт ядерных исследований Российской академии наук”
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук”,
Москва, Россия

* E-mail: potashev@inr.ru

Поступила в редакцию 18.04.2022
После доработки 13.05.2022
Принята к публикации 23.05.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследовано соотношение выходов распада основного и возбужденного состояний ядра 7Li, вылетающего при взаимодействии нейтронов с ядром 10B при энергии более 1 МэВ. Нейтронный детектор на основе 10B-слоя служил одновременно и мишенью, и катодом проволочной камеры для регистрации ионизационных потерь вторичных ядер. Соотношение выходов реакций n + 10B →7Li + + 4He и n + 10B →7Li + 4He + γ определено из анализа амплитудных спектров от двух зазоров детектора вместе с моделированием ионизационных потерь ядер 4He с учетом кинематики обеих реакций.

ВВЕДЕНИЕ

Соотношение выходов распада основного и возбужденного состояний ядра 7Li при взаимодействии нейтронов с ядром 10B для тепловых и промежуточных энергий хорошо изучено и составляет 0.064. Однако, в области энергий свыше 1 МэВ данные библиотек ENDF/B-VII.1, JEFF-3.1.2 и JENDL-4.0 противоречат друг другу и поэтому подвергаются сомнению [1]. Подвергается критике также и сама величина сечения при этих энергиях. Мы представляем наши данные, полученные на фотонейтронном источнике на базе линейного ускорителя электронов ЛУЭ-8. Использовался позиционно-чувствительный детектор нейтронов (ПЧДН) на основе 10B-слоя, который служил и мишенью, и катодом проволочной камеры. Ионизационные сигналы, которые пропорциональны потерям вторичных ядер, регистрировались в двух газовых зазорах камеры [2]. Сигналы от нейтронов с энергией менее 0.5 МэВ подавлялись как кадмиевым фильтром, так и установкой высокого порога регистрации. Выполнялся анализ ионизационных потерь только ядра 4He.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Электроны с фиксированной энергией в диапазоне от 5 до 8 МэВ из линейного ускорителя ЛУЭ‑8 создавали в вольфрамовой мишени тормозной спектр гамма-квантов. Для генерации нейтронов этот спектр падал на мишень из бериллия [3]. Так как порог рождения нейтронов при взаимодействии γ-кванта с ядром на бериллии составляет 1.67 МэВ, то максимальная энергия вылетающих нейтронов En max может быть от 3.13 до 5.77 МэВ в зависимости от энергии электронов. Выводной коллимированный канал нейтронов располагался под углом 67° по отношению к оси пучка электронов. Кадмиевая пластина толщиной 5 мм, установленная перед детектором позволяла снизить общую загрузку медленных нейтронов. Большая часть нейтронов с энергией менее 0.55 эВ поглощалась, а высокий амплитудный порог позволял подавить регистрацию в ПЧДН нейтронов с энергией менее 0.5 МэВ.

ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР

Детектор нейтронов [4] выполняет одновременно роль мишени и детектирующей системы. Чувствительный слой 10B толщиной 3 мкм находится на стеклянной пластине. Он покрыт слоем алюминия толщиной 0.2 мкм, который служит первым катодом проволочной пропорциональной камеры. Из слоя 10B под действием нейтрона могут вылетать ядра 4He и 7Li в результате двух ядерных реакций

$n + {{\,}^{{10}}}{\text{B}} \to {{\,}^{4}}{\text{He}} + {{\,}^{7}}{\text{Li }}\left( {{\text{канал }}{{\alpha }_{0}}} \right),$
$\begin{gathered} n + \,{{\,}^{{10}}}{\text{B}} \to \,{{\,}^{4}}{\text{He }} + \,{{\,}^{7}}{\text{Li}}* \to \, \\ \to \,{{\,}^{4}}{\text{He }} + \,{{\,}^{7}}{\text{Li }} + \gamma \,({{E}_{\gamma }} = 0.48\,\,{\text{МэВ}}){\text{ }}\left( {{\text{канал }}{{\alpha }_{1}}} \right). \\ \end{gathered} $

Эти ядра затем регистрируются в ионизационной камере с измерением ионизационных потерь в двух ее последовательных чувствительных зазорах [5]. Соотношение выходов этих двух реакций определялось из анализа амплитудных спектров от двух газовых зазоров детектора вместе с моделированием ионизационных потерь ядра 4He в газе детектора.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рассчитанные в работе [6] абсолютные значения потоков тормозных фотонов из вольфрамовой мишени для различных энергий электронов, использовались для получения энергетических спектров нейтронов в реакции 9Be(γ, n)8Be. В дальнейшем эти энергетические распределения нейтронов были использованы для расчета кинематики ядер 4He для двух исследуемых каналов реакций α0 и α1 с вылетом ядра 7Li в основном и возбужденном состоянии. При этом для расчетов мы использовали экспериментальную зависимость сечения взаимодействия нейтронов с ядром 10B в диапазоне от 0.5 до 7 МэВ, взятом из физического справочника [7]. Для этой зависимости мы получили интерполяционные формулы

(1)
$\begin{gathered} \sigma = {{10}^{{ - 0.196}}} \cdot E_{n}^{{ - 0.5}}\,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,\,{{E}_{n}} \leqslant 0.25\,\,{\text{МэВ}}, \\ \sigma = \sum\limits_{i = 1}^6 {{{A}_{i}}{{e}^{{ - \frac{{{{{\left( {{{E}_{n}} - {{B}_{i}}} \right)}}^{2}}}}{{2w_{i}^{2}}}}}}} \,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,\,{{E}_{n}} \geqslant 0.25\,\,{\text{МэВ}}, \\ \end{gathered} $
где A1 = 0.93; A2 = 0.54; A3 = 0.36; A4 = 0.3; A5 = 0.11; A6 = 0.049; w1 = 0.32; w2 = 0.30; w3 = 0.3; w4 = 0.45; w5 = 1.6; w6 = 6.0; B1 = 0.40; B2 = 1.80; B3 = 2.75; B4 = 3.70; B5 = 6.1; B6 = 15.0.

Моделированные спектры ионизационных потерь ядер 4He в 1-ом и 2-ом газовом зазорах детектора для двух реакций будем аппроксимировать распределением Рэлея

(2)
$\begin{gathered} f\left( {\Delta E} \right) = \\ = A\frac{{\left( {\Delta E - \Delta {{E}_{0}}} \right)}}{{{{w}^{2}}}}{{e}^{{ - \frac{{\left( {\Delta E - \Delta {{E}_{0}}} \right)}}{{2{{w}^{2}}}}}}},\,\,\,\,{\text{если}}\,\,\,\,\Delta E > \Delta {{E}_{0}} \\ {\text{и}}\,\,\,\,f\left( {\Delta E} \right) = 0,\,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,\,\Delta E < \Delta {{E}_{0}} \\ \end{gathered} $
с целью определить положение и высоту пика в распределении f(ΔE) для каждой из двух реакций. Положение пика определяется по формуле
(3)
$\Delta {{E}_{{{\text{пик}}}}} = \Delta {{E}_{0}} + {{w}_{0}},$
а величина A соответствует площади под кривой функции распределения

(4)
$A = \int\limits_0^{ + \infty } {f\left( {\Delta E} \right)d\left( {\Delta E} \right)} .$

В эксперименте триггер возникает если ионизационный сигнал во втором газовом зазоре превысил амплитудный порог. Расчет показал, что триггер запускается для нейтронов с энергией En > 0.5 МэВ. Поэтому при моделировании мы рассматривали только нейтроны с энергией En > > 0.5 МэВ. На рис. 1 представлены расчетные спектры для первого (рис. 1а) и второго (рис. 1б) газовых зазоров детектора с аппроксимирующими их кривыми при энергии нейтронов En = = 3 МэВ. Из расчета определяются параметры этих кривых для двух каналов реакции A(α0), w(α0), ΔEпик(α0), A(α1), w(α1) и ΔEпик(α1). Экспериментальные спектры также аппроксимировались суперпозицией кривых двух распределений Рэлея в предположении, что положения максимумов в экспериментальных спектрах $\Delta E_{{{\text{пик}}}}^{{{\text{эксп}}}}$(α0) = ΔEпик(α0) и $\Delta E_{{{\text{пик}}}}^{{{\text{эксп}}}}$(α1) = ΔEпик(α1). При этом были получены экспериментальные величины Aэксп(α0) и Aэксп(α1). Поскольку в эксперименте использовался поток нейтронов в диапазоне энергий от 0.5 МэВ до En max, то для оценки соотношения выходов реакций α0 и α1 величины Aэксп(α0) и Aэксп(α1) нормировались на величины A(α0) и A(α1) в окрестности середины данного диапазона энергий. Неопределенность положения выбранной расчетной точки по энергии мы включили в ошибку измерения. Таким образом, соотношение выходов вычислялось по формуле

(5)
${{\omega }_{{01}}} = \frac{{{{A}^{{{\text{эксп}}}}}\left( {{{\alpha }_{0}}} \right)A\left( {{{\alpha }_{1}}} \right)}}{{{{A}^{{{\text{эксп}}}}}\left( {{{\alpha }_{1}}} \right)A\left( {{{\alpha }_{0}}} \right)}}.$
Рис. 1.

Расчетные спектры ионизационных потерь ядра 4He: в первом (координата “X”) газовом зазоре (а); во втором (координата “Y”) (б) газовом зазоре детектора при энергии нейтронов 3 МэВ. Кривые – аппроксимация: пунктирная линия – канал α0, пунктирная линия – канал α1.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Экспериментальные амплитудные спектры демонстрируют поведение, в котором проявляются максимумы, соответствующие потерям ядра 4He из двух исследуемых каналов реакции α0 и α1. Мы применили ту же вычислительную процедуру для обработки спектров, как и для вычисления параметров расчетных спектров ионизационных потерь. На рис. 2 показаны экспериментальные спектры для первого (рис. 2а) и второго (рис. 2б) газовых зазоров детектора с аппроксимирующими их распределениями Рэлея для максимальной энергии потока нейтронов En max = 3.13 МэВ. Средняя энергия для получения расчетных величин A(α0) и A(α1) может быть выбрана как En ср = = 1.5 ± 0.5 МэВ. На рис. 3 показаны экспериментальные спектры для первого (рис. 3а) и второго (рис. 3б) зазоров детектора, и кривые аппроксимации для En max = 5.77 МэВ. Среднюю энергию для получения расчетных A(α0) и A(α1) мы выбрали En ср = 2.8 ± 1.0 МэВ.

Рис. 2.

Экспериментальные амплитудные спектры ионизационных потерь: в первом (координата “X”) газовом зазоре (а); во втором (координата “Y”) (б) газовом зазоре детектора для потока с максимальной энергией нейтронов 3.13 МэВ. Кривые – аппроксимация: пунктирная линия – канал α0, точечная линия – канал α1.

Рис. 3.

Экспериментальные амплитудные спектры ионизационных потерь: в первом (координата “X”) газовом зазоре (а); во втором (координата “Y”) (б) газовом зазоре детектора для потока с максимальной энергией нейтронов 5.77 МэВ. Кривые – аппроксимация: пунктирная линия – канал α0, точечная линия – канал α1.

Вычислив величины максимума для полученных кривых каналов α0 и α1 и нормируя их на соответствующие расчетные величины, мы получили соотношение выходов двух каналов реакции α0 и α1 с испусканием ядра 7Li в основном и возбужденном (7Li*) состоянии (рис. 4). Можно видеть спадающий характер отношения ω01 = α0/α1 при увеличении максимальной энергии в потоке нейтронов, который объясняет различие в экспериментальных спектрах, показанных на рис. 2 и 3. В дальнейшем мы планируем модернизировать экспериментальную установку, заменив действующий ПЧДН на новый, разрабатываемый в ИЯИ РАН детектор нейтронов, который будет способен определять энергию каждого быстрого нейтрона диапазоне 1–7 МэВ [8]. В результате дальнейших исследований появится возможность не только улучшить точность измерений, но и сравнить наши результаты с результатами, полученными в [1].

Рис. 4.

Зависимость величины соотношения выходов каналов реакции α0 и α1 взаимодействия нейтронов с ядром 10B от максимальной энергии нейтронов в потоке. Кривая линия – аппроксимация.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из анализа расчетных спектров ионизационных потерь ядра 4He для каналов реакции α0 и α1 взаимодействия нейтрона с ядром 10B с вылетом ядра 7Li в основном и возбужденном состоянии и экспериментальных амплитудных спектров, измеренных для двух зазоров 10B-детектора, получена оценка соотношения выходов ω01 = α0/α1.

Список литературы

  1. Bevilacqua R., Hambsch F.-J., Vidali M. et al. // EPJ Web Conf. 2017. V. 146. Art. No. 11010.

  2. Potashev S., Drachev A., Burmistrov Yu. et al. // EPJ Web Conf. 2020. V. 231. Art. No. 05010.

  3. Андреев А.В., Бурмистров Ю.М., Зуев С.В. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 6. С. 824; And-reev A.V., Burmistrov Yu.M., Zuyev S.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. No. 6. P. 748.

  4. Поташев С.И., Бурмистров Ю.М., Драчев А.И. и др. // Поверхн.: рентген., синхр., нейтрон. иссл. 2018. № 10. С. 108; Potashev S.I., Burmistrov Yu.M., Drachev A.I. et al. // J. Surf. Invest.: Xray, Synch. Neutr. Tech. 2018. V. 12. P. 627.

  5. Potashev S., Burmistrov Y., Drachev A. et al. // KnE Energy. Phys. 2018. P. 115.

  6. Недорезов В.Г., Конобеевский Е.С., Зуев С.В. и др. // ЯФ. 2017. Т. 80. № 5. С. 423; Nedorezov V.G., Konobeevski E.S., Zuyev S.V. et al. // Phys. Atom. Nucl. 2017. V. 80. No. 5. P. 827.

  7. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат, 1976.

  8. Каспаров А.А., Поташев С.И., Афонин А.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 5. С. 694.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал