ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 27-32
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.17
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СПЕКТРОВ БЕТА-ЧАСТИЦ, ИСПУСКАЕМЫХ СМЕСЯМИ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ ^ и ^и ТЕПЛОВЫМИ НЕЙТРОНАМИ
© 2014 г. К. А. Балыгин, М. Д. Каретников, А. И. Климов, В. И. Копейкин, В. А. Куркин, Е. А. Мелешко, Ю. Н. Панин, А. А. Сабельников
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 Поступила в редакцию 16.05.2013 г.
Описана экспериментальная установка на пучке тепловых нейтронов реактора ИР-8 НИЦ "Курчатовский институт", предназначенная для прецизионного измерения отношения спектров Р-частиц, испускаемых смесями продуктов деления 235и и 239Ри. Эксперимент основан на одновременном измерении в одном и том же потоке нейтронов спектров Р-частиц делящихся изотопов 235и и 239Ри и спектра фона. Регистрация Р-частиц ведется высокоселективным Р-спектрометром во время перекрытия пучка нейтронов механическим прерывателем. Рассмотрено развитие методики измерений.
Б01: 10.7868/80032816214010121
1. ВВЕДЕНИЕ
Одно из наиболее значительных открытий последних лет в физике элементарных частиц — доказательство наличия у нейтрино ненулевой массы и смешивания разных типов нейтрино. Это открытие стало результатом крупных экспериментов с солнечными, атмосферными, ускорительными нейтрино и реакторными антинейтрино и явилось прямым доказательством существования "новой физики" за пределами общепринятой стандартной модели элементарных частиц.
Ведутся и подготавливаются новые эксперименты в потоках реакторных антинейтрино (уе), направленные на продолжение изучения свойств нейтрино. Для анализа экспериментов первостепенное значение имеет знание спектра \е реактора. Анализ экспериментальных данных ведется путем сравнения их с ожидаемыми значениями, рассчитанными на основании точных данных о спектре реакторных V е.
Антинейтрино в реакторе испускаются при Р-распадах продуктов деления 235и, 239Ри, 241Ри и 238и и Р-распадах других ядер. При Р-распаде ядра V е испускается одновременно с Р-частицей и делит с ней энергию распада. Такая "генетическая" связь Vе и Р-частицы позволяет по измеренным спектрам Р-частиц делящихся изотопов получать аналогичные спектры V е и контролировать расчеты спектра V е реактора.
В период 1981—1989 гг. в институте Лауэ-Лан-жевена были проведены уникальные измерения спектров Р-частиц от смесей продуктов деления
235и, 239Ри и 241Ри [1, 2], которые используют при получении спектра V е реактора. Радикальное улучшение техники детектирования V е, достигнутое за последние годы, инициирует улучшение точности измерений и расчетов спектров Р-частиц делящихся изотопов и спектра реакторных уе в целом.
В данной работе описана экспериментальная установка "Бета" для изучения спектров Р-частиц смесей продуктов деления изотопов урана и плутония на пучке нейтронов. Кратко изложена сложившаяся ситуация в исследовании спектров Р-частиц. Представлена методика эксперимента и рассмотрены конструкция, функциональная схема и система сбора данных оригинального Р-спектрометра. Основное внимание уделено подготовке установки для проведения прецизионных измерений отношения спектров Р-частиц, испускаемых смесями продуктов деления 235и и 239Ри тепловыми нейтронами.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1. Исходные данные и цели измерений
При разработке методики учитывались свойства спектров Р-частиц делящихся изотопов 235и, 239Ри, 241Ри и 238и, достигнутая точность в измерениях и расчетах этих спектров и требования реакторных нейтринных экспериментов.
Большинство исследований по спектрам Р-ча-стиц и спектру реакторных уе относится к области энергий >1.5 МэВ. Это связано с широким использованием в нейтринных экспериментах реакции Ve+ р —- е+ + п, имеющей порог 1.8 МэВ.
Рис. 1. Эскиз экспериментальной установки: а — вид сзади, б — вид сверху. 1 — Р-спектрометр; 2 — основной ¿-детектор; 3 — пролетный Д£Чдетектор; 4 — диафрагмы; 5 — мишени; 6 — вращающийся диск-держатель мишеней; 7 — пучок тепловых нейтронов; 8 — поглотитель нейтронов; 9 — комбинированная пассивная защита (8 и 9 на виде а не показаны).
В области >1.8 МэВ спектр \е реактора практически полностью обусловлен Р-распадом продуктов деления 235и, 239Ри, 241Ри и 238и.
Изотопы 235и и 239Ри вместе дают ~90% делений в реакторе. Поэтому они определяют поток и спектр реакторных Vе. Периоды полураспада продуктов деления, формирующих спектр Р-частиц в области >1.8 МэВ, лежат в диапазоне от 0.5 с до 1 года. Спектры Р-частиц делящихся изотопов быстро спадают с увеличением энергии. Для 235и спад спектра в диапазоне 1.5—8 МэВ составляет ~5000 раз. При этом отношение спектров Р-ча-стиц 235и/239Ри меняется в этом диапазоне несравненно меньше — примерно от 1.2 до 2.5.
Наиболее точно известен спектр Р-частиц смеси продуктов деления 235и: для значительной части диапазона измерений 1.5—9 МэВ статистическая погрешность не превышает 1%, а ошибка абсолютной нормировки составляет 1.8% [1]. Погрешности измерений для 239Ри и 241Ри значительно больше. Для 238и нет опытных данных о спектре Р-частиц.
Это связано с тем, что ядра 238и делятся быстрыми нейтронами с низким сечением ~1 барн. Данные различных работ о спектрах Р-частиц делящихся изотопов и отношений этих спектров противоречивы и существенно отличаются друг от друга, см. [1—6]. Так для отношения спектров Р-частиц 235и/239Ри отличия в середине энергетического диапазона (~5 МэВ) превышают 10%.
Ближайшей целью данных исследований является прецизионное измерение отношения спектров Р-частиц 235и и 239Ри. Это позволит по известному спектру Р-частиц 235и восстановить спектр Р-частиц 239Ри. Будут изучены изменения спектров Р-частиц изотопов 235и и 239Ри после начала их облучения и высокоэнергетичные области этих спектров.
2.2. Схема эксперимента
Особенностью эксперимента является одновременное измерение спектров Р-частиц сразу для двух делящихся изотопов и спектра фона в одном и том же потоке нейтронов.
Для этого мишени урана и плутония в виде фольги прямоугольной формы (размер каждой мишени 20 х 30 мм и толщина ~40 мг/см2) в тонких защитных оболочках (двойная алюминиевая фольга и металлизированная органическая пленка общей толщиной около 13 мг/см2) прикрепляются вдоль обода диска 060 см из дюралюминия (рис. 1). Каждая мишень занимает треть окружности диска. На оставшейся трети размещаются оболочки мишеней без делящегося материала для измерения фона. Диск вращается со скоростью до 20 об/с. С одной стороны от центра диска проводится облучение нейтронами мишеней 235и и 239Ри и пустых оболочек мишеней. С противоположной стороны с помощью Р-спектрометра осуществляется раздельное измерение спектров Р-частиц 235и и 239Ри и спектра фона. Бета-спектрометр экранирован от пучка нейтронов защитой из тяжелых и легких материалов (см. рис. 1). Такая конструкция установки позволит существенно снизить фон, связанный с пучком нейтронов, и фон от нейтронов и у-квантов, испускаемых при делении ядер в мишенях. Для дополнительного снижения фона планируется использовать прерыватель нейтронов, расположенный на пути пучка. Регистрация Р-частиц будет проводиться во время прерывания пучка.
Экспериментальная установка подготовлена для прецизионного измерения отношения спектров Р-частиц 235и/239Ри. В опыте планируется определять только форму отношения спектров. Нормирование выполняется с помощью расчета, который наиболее точен (ошибка ~1%) при вычислении отношения спектров Р-частиц делящихся изотопов в области энергий 1—3 МэВ, см.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СПЕКТРОВ
29
[1, 7]. Для этого рассчитываются спектры в-ча-стиц 235и и 239Ри, нормированные на одно деление каждого изотопа (подробное описание расчетов см. в работе [8]).
Преимущество данного метода состоит в том, что измерение является относительным и не нужно использовать сложные схемы калибровок для восстановления абсолютных спектров в-частиц. При определении отношения спектров в-частиц 235и/239Ри не требуется измерять абсолютное число делений в мишенях и величину эффективности регистрации спектрометра, не возникает проблем с адекватным измерением фона (он измеряется одновременно с эффектом), проблем скрупулезного учета рассеяния и потерь энергии электронов в материалах мишеней и на пути от мишеней к в-спектрометру, проблем с калибровкой энергетической шкалы.
2.3. Нейтронный пучок
Установка "Бета" смонтирована на выходе пучка тепловых нейтронов исследовательского реактора ИР-8 НИЦ "Курчатовский институт". Пучок нейтронов сформирован с помощью коллиматора, который представляет собой стальную трубу длиной 1200 мм с диафрагмами из борированного полиэтилена. Между коллиматором и установкой расположен шибер, перекрывающий пучок нейтронов. Распределение плотности потока нейтронов в поперечном сечении пучка в месте расположения мишеней имеет колоколообразную форму с диаметром основания 37 мм и максимумом 7 • 106 с-1 см-2. Перед поступлением в коллиматор нейтроны из реактора проходят изготовленный в рамках данной работы прерыватель пучка, который представляет собой быстровращающийся (до 20 об/с) маховик с двумя радиально противоположными отсекателями нейтронов из стали и борированного полиэтилена.
3. ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНЫЙ в-СПЕКТРОМЕТР
Бета-спектрометр представляет собой телескоп АЕ х Е, состоящий из двух сцинтилляторов, оптически разделенных между собой. Тонкий (Н = 0.16 мм) пролетный АЕ-детектор из сцинтилляционной пластмассы 0 = 30 мм размещен на пути в-частиц вплотную к Е-сцинтиллятору из стильбена (Н х 0 = = 50 х 50 мм). Электроны регистрируются АЕ-де-тектором и попадают в Е-детектор. Совпадение импульсов от обоих детекторов дает разрешение на регистрацию и анализ амплитуд сигналов АЕ и Е.
Устройство в-спектрометра приведено на рис. 2. Пролетный АЕ-сцинтиллятор размещен в прямоугольной светоотражающей коробочке, собранной из стальных проволочек с натянутой на них тонкой светоотражающей майларовой пленкой.
5
Рис. 2. Эскиз в-спектрометра. 1 — основной Е-детек-тор; 2 — пролетный АЕ-детектор; 3 — диафрагмы; 4 — мишени; 5 — враща
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.