Difference between distributions of intermediate and slow neutrons from photoneutron source exit channel

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Для проведения экспериментов на фотонейтронном источнике ИЯИ РАН [1] в его замедлителе был создан выводной канал с коллиматором нейтронов длиной около 50 см и диаметром 3 см. Распределение медленных нейтронов в потоке, в частности, в тепловой области энергий в экспериментальном зале исследовалось различными методами [2, 3]. Однако многие эксперименты должны выполняться при промежуточных энергиях, например, в области нейтронных резонансов на ядрах. Примером может служить пространственное исследование вкраплений золота в геологических образцах, используя хорошо известный резонанс на ядре ¹⁹⁷Au с энергией около 5 эВ. Ранее мы обнаружили, что детектор нейтронов на основе слоя твердого изотопа ¹⁰B и проволочной пропорциональной камеры хорошо подходит для исследования пространственного распределения нейтронов как в тепловой, так и в промежуточной области энергий нейтронов [4]. Важным преимуществом этого детектора является то, что он обладает избирательной чувствительностью к направлению движения нейтронов [5]. Для того чтобы выделить нейтроны промежуточных энергий используется кадмиевый фильтр, который поглощает нейтроны с энергией ниже 0.55 эВ. Мы можем пренебречь влиянием быстрых нейтронов, выбирая достаточно большое расстояние от центра нейтронообразующей мишени ~ 200 см и учитывая, что сечение взаимодействия нейтронов с тонким слоем ¹⁰B мало. Для контроля общего потока нейтронов в экспериментальном зале использовался стандартный ³He-счетчик.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Измерения были выполнены на фотонейтронном источнике ИЯИ РАН на базе ускорителя электронов ЛУЭ-8. Пучок электронов генерирует тормозное излучение в вольфрамовой мишени. Поток нейтронов создается в ⁹Be-мишени, которая установлена в центре замедлителя из полиэтилена в виде куба с линейным размером 1 м. Поток нейтронов выходит из коллиматора диаметром 3 см и длиной ~ 50 см и падает на позиционно-чувствительный детектор нейтронов (ПЧДН), состоящий из твердого слоя ¹⁰B и проволочной камеры [6, 7]. Для контроля общего потока нейтронов использовался стандартный счетчик на основе ³He, который располагался непосредственно за ПЧДН. Детектор ПЧДН рассеивает и поглощает только малую долю нейтронов.

На рис. 1 показано экспериментальное распределение нейтронов вдоль горизонтальной оси, измеренное ¹⁰B-детектором в отсутствии кадмиевого фильтра. Он располагался на расстоянии 204 см от центра мишени. На рис. 2 показано экспериментальное распределение нейтронов, измеренное с помощью ПЧДН с кадмиевым фильтром перед ним. Его граничная энергия составляет около 0.55 эВ, то есть он задерживает тепловые нейтроны. На рис. 3 показано измеренное с помощью ПЧДН экспериментальное распределение нейтронов, которое соответствует разности между потоком нейтронов всех энергий и потоком нейтронов только промежуточных энергий. Поэтому это есть распределение только тепловых нейтронов с энергией ниже 0.55 эВ. Одновременно с измерением распределения нейтронов с помощью ПЧДН распределение нейтронов измерялось и с помощью перемещаемого механически вдоль горизонтальной плоскости ³He-счетчика. При установленном кадмиевом фильтре ³He-счетчик, который располагался позади ПЧДН, почти не регистрировал нейтронов. Это связано с тем, что эффективность ³He-счетчика для промежуточных и быстрых нейтронов очень мала. В эксперименте записывалась осциллограмма сигналов, вместе с которыми записывалось геометрическое положение счетчика. Из осциллограммы принимались в рассмотрение только тепловые нейтроны с энергией менее 0.5 эВ. На рис. 4 показано измеренное с помощью перемещаемого ³He-счетчика экспериментальное распределение нейтронов. Распределение потока нейтронов, измеренное с помощью ПЧДН и ³He-счетчика, находилось в согласии друг с другом с учетом различного пространственного разрешения.

 

Рис. 1. Распределение тепловых и промежуточных нейтронов, измеренное на расстоянии 204 см от центра мишени из ⁹Be позиционно-чувствительным детектором на основе ¹⁰B. Кривая — аппроксимация двумя гауссианами.

 

Рис. 2. Распределение промежуточных нейтронов с E_n > 0.55 эВ, измеренное на расстоянии 204 см от центра мишени из ⁹Be позиционно-чувствительным детектором на основе ¹⁰B. Кривая — аппроксимация гауссианом.

 

Рис. 3. Распределение тепловых нейтронов с E_n < 0.55 эВ, измеренное на расстоянии 204 см от центра мишени из ⁹Be позиционно-чувствительным детектором на основе ¹⁰B. Кривая — аппроксимация двумя гауссианами.

 

Рис. 4. Распределение тепловых нейтронов с E_n < 0.55 эВ, измеренное на расстоянии 204 см от центра мишени из ⁹Be перемещаемым счетчиком на основе ³He. Кривая — аппроксимация двумя гауссианами и равномерным фоном.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Мы аппроксимировали распределение потока промежуточных нейтронов с энергиями E_n > 0.55 эВ гауссианом как это представлено на рис. 2 и получили полную ширину на половине максимума w, равную 4 см. Эта величина соответствует размеру коллиматора на расстоянии 204 см. Фон рассеянных промежуточных нейтронов существенно подавлен в измерении детектором ПЧДН. На рис. 3 представлено разностное распределение, которое соответствует потоку тепловых нейтронов. Распределение нейтронов имеет форму в виде двух максимумов, один из которых расположен левее оси коллиматора, а другой правее его с минимумом вдоль оси коллиматора. Аппроксимация правого пика, вершина которого расположена при X = –1.2 см для этого распределения дала величину ширины на половине максимума 2 см. Аппроксимация левого пика, вершина которого расположена при X = +5.5 см дала величину ширины на половине максимума 4 см. Аналогичный характер имеет и распределение, измеренное с помощью ³He-счетчика на рис. 4, где также наблюдаются два максимума с двух сторон от оси коллиматора. В табл. 1 представлены положения пиков гауссианов аппроксимации в распределениях, выраженных в см и в угловых градусах, а также их ширины на половине максимума, площади под пиками и высота постоянного фона. Можно заметить, что пики на рис. 3 и рис. 4 для тепловых нейтронов соответствуют друг другу по относительной величине и положению.

 

Таблица 1. Положения пиков гауссианов аппроксимации в распределениях, их ширины на половине максимума, площади под пиками и высота постоянного фона

En	X, см	Θ, град.	w, см	A	Фон
En > 0.55 эВ 10B-дет.	0	0	4	35	0
En < 0.55 эВ 10B-дет.	–1.2	-0.34	2	19	0
	+5.5	+1.54	4	41
En < 0.55 эВ 3He-счет.	–1.4	–0.39	4	1800	40
	+5	+1.40	6.5	3200

 

Мы предположили, что наличие двух максимумов в распределениях для тепловых нейтронов может быть связано с рассеянием нейтронов на внутренних боковых стенках коллиматора. В то же время распределение промежуточных нейтронов, которые не испытали взаимодействие с материалами коллиматора, хорошо аппроксимируется симметричным гауссианом, направленным вдоль его оси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В эксперименте с помощью позиционно-чувствительного ¹⁰B-детектора и перемещаемого ³He-счетчика было обнаружено существенное различие в форме распределения двух групп нейтронов с энергией выше и ниже кадмиевой границы. Если распределение промежуточных нейтронов имеет симметричную гауссову форму, то форма распределения медленных нейтронов носит сложный характер. Наблюдаемое небольшое угловое расхождение в направлении потоков промежуточных и тепловых нейтронов относительно оси коллиматора можно использовать для одновременного измерения на двух установках как с тепловыми, так и промежуточными энергиями в одном эксперименте.

About the authors

S. I. Potashev

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences; P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: potashev@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312; Moscow, 119991

Yu. M. Burmistrov

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Email: potashev@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312

A. I. Drachev

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Email: potashev@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312

A. A. Kasparov

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Email: potashev@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312

V. N. Ponomarev

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Email: potashev@inr.ru
Russian Federation, Moscow, 117312

References

Supplementary files