ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 6, с. 20-24
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СЕЧЕНИЙ ОБРАЗОВАНИЯ НУКЛИДОВ НА МЕДИ ПРОТОНАМИ С ЭНЕРГИЕЙ 50 ГэВ
© 2012 г. Г. И. Крупный, Я. Н. Расцветалов
ГНЦРФ "Институт физики высоких энергий " Россия, 142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1 E-mail: gennady.krupny@ihep.ru, rascvetalov@ihep.ru Поступила в редакцию 23.12.2011 г.
Тонкая мишень (сборка из медной и алюминиевой фольг), установленная в вакуумной камере ускорителя, облучалась циркулирующими протонами с энергией 50 ГэВ. По активации мониторной Al-фольги определено число протонов, прошедших через мишень за сеанс работы ускорителя, и измерены активности радионуклидов в каждой из фольг. Оценены сечения образования ряда радионуклидов протонами с энергией 50 ГэВ на ядрах меди.
ВВЕДЕНИЕ
Важным параметром при решении широкого круга задач по воздействию радиационных факторов на вещество в условиях высоких уровней радиации является максимально-достижимая доза или интегральный флюенс частиц за разумное время работы облучающей установки. При исследованиях физики радиационных повреждений материалов атомной техники обычно используются исследовательские ядерные реакторы. За рубежом довольно часто такие исследования проводятся и на ускорителях протонов с энергиями 0.2—1.5 ГэВ для экспрессной оценки изменения свойств материалов в результате облучения [1— 3]. При использовании ускорителей протонов для решения задач радиационного материаловедения современной ядерной энергетики нужны пучки с ин-тенсивностями >1014 протонов/(см2 • с). Таких ускорителей протонов в мире немного, при этом дальнейшее увеличение интенсивности пучков сопряжено с нарастанием как физико-технических, так и материальных проблем.
На ускорительном комплексе Института физики высоких энергий выполнены первые тестовые исследования по изучению радиационных повреждений материалов атомной техники. За сеанс работы протонного синхротрона У-70 (~1000 ч), не мешая основной физической программе, на тонких образцах материалов может быть достигнут интегральный флюенс протонов ~1019 протонов/см2. При этом используется около 1% циркулирующих в вакуумной камере ускорителя протонов (гало пучка), которые, многократно пересекая тонкий образец исследуемого материала, создают в нем вышеуказанный уровень радиационных нагрузок. В данной работе исследованы облученные в ускорителе тонкие образцы (фольги) из меди и алюминия и получены экспериментальные оцен-
ки сечений образования вторичных радионуклидов протонами с энергией 50 ГэВ на ядрах меди.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В качестве тонкой внутренней мишени использовалась сборка из двух фольг: медной и алюминиевой. Сборка была установлена в вакуумной камере магнитного блока № 33 ускорителя У-70 (рис. 1). Первой по пучку стояла медная фольга,
1 2 4 5 3
Рис. 1. Схема расположения мишени в радиально-фокусирующем блоке ускорителя. 1 — магнитный блок, 2 — вакуумная камера, 3 — бокс привода мишени, 4 — пучок протонов и его гало (условно), 5 — мишень (фольги), 6 — привод мишени, 7 — рамка для крепления фольг.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СЕЧЕНИЙ ОБРАЗОВАНИЯ
21
вплотную к ней - алюминиевая. Исследуемым образцом в сборке была фольга из электролитической меди с естественным содержанием изотопов 63Си и 65Си; назначение мониторной алюминиевой фольги — определение полного числа протонов, прошедших сборку. Размеры фольг 40 х 20 мм определялись конструкцией рамки-держателя мишени (см. вставку на рис. 1), толщина медной фольги составляла 50 мкм. С целью минимизации вносимых возмущений на число пересечений протонами сборки толщина алюминиевой фольги (~6 мкм) выбрана гораздо меньше медной. Радиальная координата мишени экспериментально выбрана равной +18 мм, что соответствует удалению мишени примерно на 11 мм от центра пучка. Энергия циркулирующих протонов в У-70 составляла 50 ГэВ.
КОНТРОЛЬ ИНТЕНСИВНОСТИ СБРОСА ПРОТОНОВ НА МИШЕНЬ
Интенсивность сброса (наведения) протонов на исследуемую мишень ограничивали два фактора: чрезмерный ее разогрев, а также необходимость обеспечения надежной совместной работы других внутренних мишеней и медленного вывода пучка протонов. Средняя интенсивность протонов, сбрасываемых на исследуемую мишень, составляла ~7 • 109 протонов/цикл. При этом ускоренные до энергии 50 ГэВ протоны в течение каждого цикла многократно (~2000 раз) пересекали мишень (сборку из двух тонких фольг), что эквивалентно интенсивности при однократном падении на мишень ~1.4 • 1013 протонов/цикл. В сеансе работы ускорителя У-70 контроль за сбросом протонов на мишень осуществлялся детектором черенковского излучения (радиатор из свинцового стекла, сочлененный с фотоумножителем ФЭУ-85), регистрирующим вторичные заряженные частицы от неупругих взаимодействий протонов с ядрами вышеуказанной мишени под углом ~30° [4]. Детектор был установлен в коллиматоре боковой защиты ускорителя (нулевая ветка канала № 6) и включен в систему автоматизированного радиационного контроля У-70 [5].
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПРОТОНОВ НА МИШЕНИ ЗА ЭКСПОЗИЦИЮ
Число протонов, прошедших мишень, измерено по числу радиоактивных ядер 22№, образующихся в мониторной алюминиевой фольге. Толщина алюминиевой фольги определялась путем взвешивания и составила 5.7 ± 0.1 мкм. Нуклид 22Ыа образуется на протонах в реакции 27А1 (р, 3р3п) 22Ыа. Сечение а этой реакции является опорным для последующих вычислений и оценок сечений образования радионуклидов протонами на ядрах
меди. Используемое нами значение сечения данной реакции при энергии протонов Ер = 50 ГэВ принято равным а = 10.6 ± 0.9 мб [6].
Число ядер (^акт.яд.) радионуклида 22Ыа в мони-торной фольге, образуемых при взаимодействии протонов с мишенью, определяется по формуле:
^акт.яд. = «аДх, (1)
где а — сечение реакции, — число протонов за экспозицию, Ах — толщина мишени, N — число ядер 27А1 в 1 см3 мишени.
С другой стороны, активность С радионуклида 22№ связана с числом радиоактивных ядер ^акт.яд. соотношением
С = ^.ядА (2)
где т = Т1/2/1п2; Т1/2 = 2.605 года — период полураспада радионуклида 22Ыа.
Таким образом, используя формулы (1) и (2), можно определить число протонов за экспозицию. Заметим, что аналогичный подход был реализован при расчете сечений образования долго-живущих радионуклидов на меди.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Измеренная с помощью полупроводникового у-спектрометра активность нуклида 22№ в алюминиевой фольге, приведенная к времени окончания экспозиции, составила 7600 ± 400 Бк. По соотношениям (1) и (2) было определено, что через медную фольгу толщиной 50 мкм прошло (2.50 ± 0.25) • 1018 протонов. Выбывание нуклида 22№ из алюминиевой фольги, по нашим оценкам, составило ~1% и частично компенсировалось их добавкой из медной фольги. Для изучения распределения активности 22№ по алюминиевой фольге она была разрезана на три полоски: две — шириной по 5 мм и одна — шириной 10 мм. Из ближайшей к пучку полоски шириной 5 мм была вырезана центральная часть размером 20 мм, на которую приходится 90% активности. Всего на ближайшую к пучку полоску приходится 95% активности, оставшиеся 4.5% активности приходятся на среднюю полоску шириной 5 мм и 0.5% — на полоску шириной 10 мм.
Идентификация радионуклидов и измерения активности С облученных фольг выполнены на полупроводниковом у-спектрометрическом комплексе [7]. Активность короткоживущих радионуклидов не измерялась ввиду высокой суммарной активности радионуклидов в фольгах на момент окончания облучения. После выдержки в течение ~1 мес были измерены активности радионуклидов с периодом полураспада более 16 сут. По результатам измерений определены активности 11 долгоживущих радионуклидов, образовавшихся в результате облучения тонкой медной фольги протонами с энергией 50 ГэВ (табл. 1).
22
КРУПНЫЙ, РАСЦВЕТАЛОВ
Таблица 1. Активности идентифицированных радионуклидов в медной фольге (значения приведены на конец облучения)
Радионуклид Период полураспада, сут Активность, Бк
7Be 53.3 8.4 105 ± t 4%
22Na 2.602 года 1.5 104 ± t 4%
46S 83.83 3.. 105 ± 7%
48у 16.238 I. 106 ± 5%
51Cr 27.704 1.9 106 ± 12%
54Mn 312.5 2.0 105 ± 10%
59Fe 44.529 1.3 105 ± 6%
56Co 78.76 2.8 105 ± 12%
57Co 270.9 1.9 105 ± 7%
58Co 70.8 1.2 106 ± 6%
60Co 5.271 лет 2.3 104 ± 6%
Таблица 2. Сечения образования радионуклидов на ядрах меди протонами с энергией 50 ГэВ
Радионуклид а, мб а*, мб
7Be 6.1 ± 11% 10.9
22Na 1.4 ± 11% 3.6
46Sc 3.2 ± 13% 6.3
48V 5.3 ± 11% 8.9
51Cr 9.3 ± 16% 18.1
54Mn 6.4 ± 14% 17.7
59Fe 0.9 ± 12% 1.3
56Co 2.8 ± 16% 4.9
57Co 5.6 ± 13% 15.3
58Co 10.5 ± 12% 23.0
60Co 4.4 ± 12% 5.5
В погрешность определения активности входят статистическая погрешность скорости счета в пике полного поглощения при обработке аппаратурного спектра и погрешность (3%) градуировки спектрометра по образцовым источникам у-излу-чения (ОСГИ).
Суммарная удельная активность долгоживущих радионуклидов в медной фольге на конец облучения с погрешностью 8% составила 1.8 • 107 Бк/г.
Полученные значения активностей долгоживущих радионуклидов, образуемых на меди протонами с энергией 50 ГэВ, позволили выполнить оценку сечения образования (а) этих радионуклидов. Результаты вычислений а с погрешностью в процентах представлены в табл. 2. При определении погрешности, кроме названных выше, учтена также погрешность оценки сечения мониторной реакции 27Al (p, 3р3п )22Na.
На рис. 2 приведены экспериментальные данные по сечениям образования радионуклидов на меди, взятые из работ [8—11], здесь же приведены полученные нами данные (залитые черным точки) для радионуклидов, перечисленных в табл. 2.
Представлялось целесообразным также сравнить наши данные с расчетными значениями сечений а*, полученными с помощью феноменологических аппроксимаций. Расчеты этих сечений были проведены по модели Silberberg and Tsao [12] для естественной смеси изотопов меди с содержанием 69% 63Cu и 31% 65Cu; данные представлены в третьей колонке табл. 2. В отдельных случаях (59Fe и 60Co) расхождение результатов эксперимента и расчетов не превышает 30%, в других — достигает до трех раз. Дальнейшее обсуждение имеющихся расхождений во
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.