БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (НЕ)
Импульсными источниками нейтронов обычно служат ускорители заряженных частиц или стационарные ядерные реакторы с механическими прерывателями, периодически пропускающими нейтроны в течение времени t ~ 1 мксек. Один из лучших нейтронных спектрометров по времени пролёта создан в Ок-Ридже (США). Он содержит линейный ускоритель электронов с энергией 140 Мэв. Электроны за счёт тормозного g-излучения выбивают из мишени 1011 нейтронов за время электронного импульса (t = 10-8 сек ) при частоте повторения импульсов до 1000 в 1 сек. Разрешение DE такого спектрометра при L = 100 м и E = 100 эв составляет 3·10-3 эв. В Н. с. часто используются детекторы, вырабатывающие сигнал, величина которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы (см. Полупроводниковый детектор , Пропорциональный счётчик , Сцинтилляционный счётчик ). Это позволяет измерить энергетический спектр вторичных частиц, вылетающих из мишени, что значительно расширяет объём информации о возбуждённых состояниях ядер и механизмах различных ядерных переходов и т.д.
Анализ экспериментальных данных позволяет определять такие характеристики резонанса, как энергия E 0 , полная Г и парциальные ширины, спин и чётность резонансных состояний ядер. Для большинства стабильных ядер эти характеристики известны (по крайней мере E и Гn ) для десятков, а иногда и сотен резонансов. При более высоких энергиях нейтронов разрешающая способность нейтронных спектрометров становится недостаточной для выделения отдельных резонансов. В этом случае исследуются усреднённые полные и парциальные сечения, которые дают сведения о средних характеристиках резонансов.
Величины энергетических интервалов D между соседними резонансами ядра флуктуируют. Среднее значение <D> может сильно меняться при переходе от ядра к ядру. Общей закономерностью является уменьшение <D> с увеличением массового числа А (от 104 эв для А = 30 до 1 эв для U и более тяжёлых ядер). При переходе от ядер с нечётным А к соседним чётным происходит скачкообразное увеличение <D>, что связано с изменением энергии связи захватываемого нейтрона. Нейтронные ширины резонансов Гn также флуктуируют от резонанса к резонансу для данного ядра. Кроме того, Гn растут в среднем пропорционально E0 1/2 , поэтому обычно пользуются приведёнными нейтронными ширинами Г°n = Гn /E 1/2 . Средние значения нейтронных ширин <Гn > коррелируют с величинами <D>. Каждая из них для разных ядер может отличаться в 103 —104 раз, но их отношение S0 = < Гn /E>/ <D>, называется силовой функцией, слабо и плавно изменяется от ядра к ядру. Зависимость S0 от А хорошо объясняется с помощью оптической модели ядра (см. Ядерные модели ).
После захвата нейтрона ядро переходит в высоковозбужденное состояние, ниже которого обычно расположено множество др. состояний. Его распад с испусканием g-квантов может происходить многими путями через различные промежуточные уровни. Это приводит к тому, что полная радиационная ширина Гg - для каждого резонанса является усреднённой по большому числу путей распада, а следовательно, мало изменяется от резонанса к резонансу и плавно меняется от ядра к ядру. Обычно полная радиационная ширина при переходе от средних ядер (A » 50) к тяжёлым (А » 250) изменяется примерно от 0,5 эв до 0,02 эв. В то же время радиационные ширины, характеризующие вероятность g-перехода на данный промежуточный уровень, сильно флуктуируют от резонанса к резонансу, как и нейтронные ширины. Спектр g-лучей распада нейтронных резонансов даёт информацию о распадающемся состоянии (спин, чёткость, набор парциальных ширин). Кроме того, энергии отдельных g-переходов позволяют определить энергии нижележащих уровней, а интенсивности g-переходов — спин и чётность, иногда и природу уровня.
Делительные ширины Гд также заметно флуктуируют от резонанса к резонансу. Помимо осколков, при делении ядер под действием нейтронов испускаются g-кванты и вторичные нейтроны. Число нейтронов составляет 2—3 на 1 акт деления и практически не меняется от резонанса к резонансу. Эта величина, а также отношение вероятностей радиационного захвата и деления играют важную роль при конструировании ядерных реакторов.
У полутора десятков ядер обнаружено испускание a-частиц после захвата медленных нейтронов. Для лёгких ядер (В, Li) этот процесс является преобладающим. В средних и тяжёлых ядрах он затруднён кулоновским барьером ядра. Здесь в наиболее благоприятных случаях Гa в 104 — 109 раз меньше Г g . Н. с. даёт в этом случае информацию о высоковозбуждённых состояниях ядер, о механизме a-распада.
Данные Н. с. важны не только для ядерной физики. Реакторостроение нуждается в точных сведениях о взаимодействии нейтронов с делящимися материалами, а также материалами конструкции и защиты реакторов. Данные Н. с. используются для определения элементного и изотопного состава образцов без их разрушения (см. Активационный анализ ). В астрофизике они необходимы для понимания распространённости элементов во Вселенной.
Методы Н. с. нашли широкое применение в исследованиях структуры твёрдых тел и жидкостей, а также динамики различных процессов, например колебаний кристаллической решётки (см. Нейтронография ).
Лит.: Юз Дж. Д., Нейтронные эффективные сечения, пер. с англ., М., 1959; Рей Е. Р., Экспериментальная нейтронная спектроскопия, «Проблемы физики элементарных частиц и атомного ядра», 1971, т. 2, в. 4, с. 861; Франк И. М., Развитие и применение в научных исследованиях импульсного реактора ИБР, там же, с. 805; Боллингер Л. М., Гамма-кванты при захвате нейтронов, там же, с. 885; Попов Ю. П., (N, a) — реакция — новый канал для изучения природы нейтронных резонансов, там же, с. 925; Физика быстрых нейтронов, под ред. Дж. Мариона. и Дж. Фаулера, пер. с англ., т. 2, М., 1966.
Л. Б. Пикельнер, Ю. П. Попов.
Рис. 1. Зависимость суммарного эффективного сечения s поглощения и рассеяния нейтронов от их энергии Е .
Рис. 2. Схемы нейтронных спектрометров: а — с моноэнергетическим источником И, б — с кристаллическим монохроматором на канале ядерного реактора; Д — нейтронный детектор; М — поглощающая или рассеивающая мишень; К — коллиматор.
Нейтронные детекторы
Нейтро'нные дете'кторы, приборы для регистрации нейтронов. Действие Н. д. основано на регистрации вторичных частиц, образующихся в результате взаимодействия нейтронов с атомными ядрами. Для регистрации медленных нейтронов используются ядерные реакции расщепления лёгких ядер под действием нейтронов [10 В (n, a) 7 Li, 6 Li (n, a) 3 H и 3 He (n, p)1 H] с регистрацией a-частиц и протонов; деления тяжёлых ядер с регистрацией осколков деления (см. Ядра атомного деление ); радиационный захват нейтронов ядрами (n, g) с регистрацией g-квантов, а также возбуждения искусственной радиоактивности. Для регистрации a-частиц, протонов и осколков деления применяются ионизационные камеры и пропорциональные счётчики , которые заполняют газообразным BF3 и др. газами, содержащими В или 3 H, либо покрывают их стенки тонким слоем твёрдых В, Li или делящихся веществ. Конструкция и размеры таких камер и счётчиков разнообразны. Пропорциональные счётчики могут достигать 50 мм в диаметре и 2 м длины (СНМ-15). Наибольшей эффективностью к тепловым нейтронам обладают Н. д., содержащие 10 B или 3 He. Для регистрации медленных нейтронов используются также сцинтилляционные счётчики (на кристаллах Lil с примесью Eu, на сцинтиллирующих литиевых стеклах, либо смеси борсодержащих веществ и сцинтиллятора ZnS). Эффективность регистрации тепловых нейтронов в этом случае может достигать 40—60%. В Объединённом институте ядерных исследований создан сцинтилляционный Н. д., в котором регистрируются акты радиационного захвата. Он предназначен для нейтронов с энергией до 10 кэв и имеет эффективность — 20—40%.
Эффективность регистрации быстрых нейтронов перечисленными детекторами в сотни раз меньше, поэтому быстрые нейтроны предварительно замедляют в парафиновом блоке, окружающем Н. д. (см. Замедление нейтронов ). Специально подобранные форма и размеры блоков позволяют получить практически постоянную эффективность регистрации нейтронов в диапазоне энергии от нескольких кэв до 20 Мэв (всеволновой счётчик). При непосредственном детектировании нейтронов с энергиями ~ 100 кэв обычно используется упругое рассеяние нейтронов в водороде или гелии или регистрируются ядра отдачи. Так как энергия последних зависит от энергии нейтронов, то такие Н. д. позволяют измерять энергетический спектр нейтронов. Сцинтилляционные Н. д. также могут регистрировать быстрые нейтроны по протонам отдачи в органических и водородсодержащих жидких сцинтилляторах. Некоторые тяжёлые ядра, например 238 U и 232 Th, делятся только под действием быстрых нейтронов. Это позволяет создавать пороговые Н. д., служащие для регистрации быстрых нейтронов на фоне тепловых.
