Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

Один из наиболее ценных методов измерения плотности нейтронов при помощи ядерных реакций связан с искусственной радиоактивностью. Листочек фольги из материала, который делается радиоактивным под действием бомбардировки нейтронами, помещается в то место, где желательно измерить интенсивность нейтронов. Через определенный промежуток времени листочек удаляется, и его активность измеряется электроскопом или счетчиком. Степень вызванной в нем активности служит мерой количества нейтронов, которые были поглощены. Недостаток этого способа в том, что он не дает мгновенного показания, как ионизационная камера или счетчик.

Одним из самых интересных методов, разработанных при осуществлении Проекта, является использование реакции деления урана для обнаружения нейтронов. При помощи разделенных изотопов урана можно регистрировать отдельно быстрые и медленные нейтроны.

Так как вероятность взаимодействий нейтрона с ядром различна для каждой реакции и зависит от скорости нейтрона, перевод отсчетов или измерений тока в числа и скорости нейтронов значительно труднее, чем для других ядерных частиц. Не следует удивляться, если два искусных исследователя дают различные значения для одной и той же ядерной постоянной. Лишь путем тщательного сравнения и истолкования ряда тонких и взаимно связанных экспериментов удается отделить основные факты от случайных погрешностей опытов.

Приложение 2. Единицы массы, заряда и энергии

МАССА

Так как протон и нейтрон являются основными частицами, из которых состоят ядра, казалось бы естественным массу одной из них принять за единицу массы. Выбор, вероятно, пал бы на протон, ядро атома водорода. Существуют веские причины, исторические и другие, почему не был выбран ни протон, ни нейтрон. Вместо этого, за единицу массы в атомной и ядерной физике была принята одна шестнадцатая массы преобладающего изотопа кислорода, O16, которая равна 1,6603·10-24 г. Масса протона, выраженная через эту единицу, равна 1,00758, а масса нейтрона 1,00893. (Химики обычно применяют слегка отличающуюся от этой единицу массы).

ЗАРЯД

Единицей электрического заряда в науке о ядре принято считать положительный заряд протона. Этот заряд по величине равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку, и часто называется зарядом электрона. Заряд электрона равен 1,60·10-19 кулонов. Вспомним, что ток силою в один ампер, протекая в течение одной секунды, переносит заряд в один кулон; значит, заряд электрона равен 1,60·10-19 ампер-секунд.

ЭНЕРГИЯ

За единицу энергии в ядерной физике принят электрон-вольт (eV), который определяется как кинетическая энергия, которую частица с зарядом электрона приобретает при свободном движении в поле с падением потенциала в один вольт. Часто удобнее применять в миллион раз большую единицу мегаэлектрон-вольт (MeV).

Соотношения между электрон-вольтом и другими общепринятыми единицами энергии даны в следующей таблице:

Приложение 3. Запаздывающие нейтроны при делении урана

Как отмечалось в главе VI, управление котлом значительно облегчается благодаря тому, что часть нейтронов, освобождаемых при делении урана, испускается только по прошествии более одной секунды с момента деления. Важно было изучить это явление экспериментально. Такие эксперименты были описаны Снеллом, Недзелем и Ибсером в докладе от 15 мая 1942 г., из которого мы приводим следующую выдержку:

«Данный эксперимент состоит из двух взаимно связанных частей одной, относящейся к кривой распада, и другой к интенсивности запаздывающих нейтронов, выраженной через интенсивность „мгновенных“ нейтронов деления.

КРИВАЯ РАСПАДА ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ НЕЙТРОНОВ

Источником нейтронов служила бериллиевая мишень циклотрона Чикагского университета, обстреливаемая пучком дейтронов в 20 µА с энергией в 8 MeV. Вблизи мишени помещался тонкостенный железный сосуд, содержавший 160 фунтов U3O8. Этот сосуд окружался слоем парафина толщиною в 2». По оси сосуда помещался пропорциональный счетчик с ВF3, окруженный тонким слоем парафина. Счетчик соединялся через усилитель со счетным устройством («деление 64»), снабженным интерполирующими лампами и регистратором импульсов Сенко (Central Scientific Co.); отметчик времени в одну десятую секунды, приводимый в движение синхронным мотором, и секундомер со шкалой, разделенной на сотые секунды, монтировались на панели счетного устройства около интерполирующих ламп и регистратора импульсов. Эта группа шкал и ламп фотографировалась ручной камерой «Септ» на ленте, скорость движения которой могла изменяться. Запись на кинопленке времен и показаний счетчика давала возможность построить кривые распада.

Эксперимент производился следующим образом: во время бомбардировки пускался в ход секундомер (отметчик времени работал непрерывно), счетчик и усилитель были включены, но выходящие из усилителя импульсы тока шунтировались. Шкала была установлена на нуль. После предупредительного сигнала один из работников выключал циклотрон, а другой переключал выходной ток усилителя на измерительный контур и начинал фотографировать.

Легко было снять первую фотографию за полсекунды до выключения циклотрона. Обычно производилось от шестидесяти до ста фотоснимков. Необходимость одновременного применения секундомера и отметчика времени была вызвана тем, что точность секундомера в 1/10 секунды была необходима для малых промежутков времени между фотоснимками в течение начальной части цикла, но секундомер останавливался раньше, чем заканчивались отсчеты. Для следующих промежутков времени достаточную точность обеспечивал отметчик времени.

Было произведено около сорока серий опытов при меняющихся условиях эксперимента. Для лучшего разрешения коротких периодов давались активации в одну или две секунды. Производилась продолжительная, интенсивная бомбардировка длительностью 15–20 минут, насколько возможно близко к мишени, чтобы выявить с максимальной интенсивностью длительные периоды активности. Несколько 5-минутных бомбардировок, во время которых циклотрон давал по возможности устойчивый пучок, производилось для изучения относительных интенсивностей насыщения различных активностей; во время этих активации пучок циклотрона ослаблялся до 1 или 2 µА, чтобы воспрепятствовать чрезмерному возрастанию начальной скорости отсчетов (число отсчетов 300 в секунду было принято-в качестве верхней границы, допустимой для счетчика). В наличии имелось два счетчика с ВF3 один из них имел поперечное сечение для тепловых нейтронов в 2, 66 см2 а другой 0, 43 см2. После сильной активации, можно было еще в течение 13 мин. наблюдать запаздывающие нейтроны. Были произведены определения фона (повидимому, обусловленного нейтронами самопроизвольного деления урана). Показания фона доходили примерно до 0, 4 отсчета в секунду для большого счетчика и вычитались из измеряемого эффекта.

Изучение всех кривых распада дало следующую общую картину:

Активности с периодом более 57 сек. не удалось наблюдать даже после самой интенсивной бомбардировки, которую мы смогли осуществить в течение 20 минут.

Эти результаты приводят к следующему уравнению кривой распада для запаздывающих нейтронов после активации до насыщения:

Активность = константа(1,2e-0,28t + 1,2e-0,099t + 1,0e-0,029t + 0,135e-0,012t)

где t выражено в секундах».

Вторая часть экспериментов относилась к измерению общего числа нейтронов, испускаемых в промежуток времени от 0,01 сек. до 2,0 минут после выключения циклотрона. Предполагая, что все наблюдавшиеся запаздывающие нейтроны входят в указанные выше четыре группы, необходимо считать, что 1,0±0,2 процента нейтронов, выбрасываемых при делении урана, запаздывают по крайней мере на 0,01 сек. и что примерно для 0,07 процента запаздывание достигает одной минуты. Если запроектировать эффективное значение k коэффициента размножения для типового котла при отсутствии регулирующих стержней всего лишь в 1,01, и если предел полного изменения k под влиянием одного регулирующего стержня определить в 0,002, то число запаздывающих нейтронов достаточно для обеспечения легкого управления.

Приложение 4. Первый котёл с саморазвивающейся цепной реакцией

В главе VI были кратко описаны устройство и работа первого котла с саморазвивающейся цепной реакцией. Хотя от изложения деталей приходится пока из соображений секретности воздержаться, приведенные ниже параграфы дают несколько более полное описание, основанное на докладе Ферми. Котел был построен Ферми и его сотрудниками осенью 1942 г.