Medić Ţarko
Koliko su
)
,
(
n
Ge
reakcije merodavne za procenu fluksa termalnih
neutrona
-Diplomski rad-
Novi Sad, april 2013
- 2 -
Sadrţaj
Uvod .................................................................................................................................... 4
1. Interakcija neutrona sa materijom ................................................................................... 5
1.1. Pojam mikroskopskog efikasnog preseka .............................................................. 5
1.2. Relacija izmeĎu energije-brzine za neutrone ......................................................... 6
1.3. Tipovi interakcije neutrona sa atomskim jezgrom ................................................. 7
1.4. Energetska zavisnost mikroskopskog efikasnog preseka ..................................... 10
1.5. Makroskopski efikasni presek .............................................................................. 12
1.6. Srednji slobodan put i brzina reakcije .................................................................. 16
1.7. Efekti moderacije ................................................................................................. 17
2. Germanijumski detektor ............................................................................................... 20
2.1. Princip rada i opšte karakteristike ........................................................................ 20
2.2. Detektor HPGe Canberra G2520 .......................................................................... 24
3. Izvor neutronskog zračenja kalifornijum Cf-252 .......................................................... 28
3.1. Fisija ..................................................................................................................... 28
3.1.1. Indukovana fisija ......................................................................................... 28
3.1.2. Spontana fisija ............................................................................................. 29
3.2. Kalifornijum Cf-252 ............................................................................................. 31
3.2.1. Izotopi ......................................................................................................... 31
3.2.2. Šema raspada i spektar zračenja .................................................................. 32
4. Rezulati merenja ............................................................................................................ 34
4.1. Opis detektorskog sistema .................................................................................... 34
4.2. Eksperimentalni rezultati ..................................................................................... 35
4.3. Analiza mernih rezultata ...................................................................................... 37
4.2.1. Linije Cd ..................................................................................................... 37
4.2.2. Linija H ....................................................................................................... 40
4.2.3. Linije Ge i gvoţĎa ....................................................................................... 42
4.2.4. Linije Ge energije
keV
7
.
139
i
keV
3
.
198
.................................................. 45
Zaključak ..... ..................................................................................................................... 54
Literatura .......................................................................................................................... 56
Kratka biografija ................................................................................................................ 57
Ključna dokumentacijska informacija .............................................................................. 58
Key words documentation ................................................................................................ 60
- 4 -
Uvod
Neutroni su neutralne čestice, sa periodom poluraspada od 10 minuta, koji pored
ostalog imaju niski magnetni moment, pa ih je nemoguće detektovati neposredno, nego
samo posredno.
Osnovni izvori neutrona na zemlji su nuklearni reaktori i kosmičko zračenje. Primarni
problem je što i u jednom i drugom slučaju neutroni predstavljaju nepoţeljni proizvod
nuklearnih reakcija. U okolini nuklearnog reaktora oni predstavljaju pretnju po zdravlje
operatera, a u okolini niskofonskih detektora oni proizvode šum i onemogućavaju
detekciju linija slabog intenziteta. Zato je neophodno pratiti vrednost fluksa neutrona, da
bi se na odgovarajući način njihov negativan uticaj na okolinu sveo na najmanju meru.
Postoje dva tipa interakcija neutrona sa jezgrima kojima dolazi do jonizacije okolne
materije. Prvi je interakcijom preko neelastičnog rasejanja brzog neutrona sa
naelektrisanim česticama, jezgrima lakših elemenata, vrši se predaja energije neutrona i
dovodi do uzmaka jezgra ili čestice. Takva naelektrisana čestica ili jezgro vrši jonizaciju
okolne sredine normalno na pravac kretanja. Drugi tip interakcije je zahvat termalnog
neutrona od strane atomskog jezgra, pri čemu se dobija sloţeno radioaktivno jezgro, čiji
produkti raspada vrše jonizaciju. Ovaj drugi tip se koristi za detekciju neutrona i to
reakcije tipa (n,
).
Energetska zavisnost zahvata neutrona od strane atomskog jezgra jako je izraţena.
Najveću verovatnoću da budu zahvaćeni od jezgra imaju termalni neutroni. Svaka podela
neutrona u zavisnosti od upadne energije je uslovna, pošto su samo termalni neutroni
dobro definisani, a sve ostale podele unutar energetskog intervala upadnih neutrona su
uslovne. Termalni neutroni su definisani preko krive zavisnosti vrednosti efikasnog
preseka od energije kod kadmijuma. U termalne neutrone spadaju svi oni neutroni čija je
energija manja od energije cut-off granice. Upotrebom kadmijuma moguće je odrediti
koji neutroni su termalni a koji nisu. Definisanje termalnih neutrona preko krive
zavisnosti efikasnog preseka od energije kod kadmijuma jeste malo veštački, ali samo
kadmijum ima tako oštru granicu dok atomska jezgra drugih elemenata nemaju.
Kako je detekcija neutrona vršena germanijumskim detektrom onda je jedan od
načina detekcije neutrona posredstvom nuklearne reakcije
Ge
n
Ge
)
,
(
. Analizom
emitovanog gama zračenja nakon reakcije zahvata dobijaju se potrebne informacije.
Intenzitet neke linije je proporcionalan broju zahvata neutrona. Linije preko kojih je
moguće pratiti zahvat neutrona na atomskim jezgrima germanijuma su 139.7 keV i 198.3
keV. Linije mogu nastati usled zavhata termalnog ili brzog neutrona, zbog toga se
postavlja pitanje koliko u kreiranju linija doprinose brzi a koliko doprinose termalni? U
ovom radu to hoćemo i da utvrdimo.
- 5 -
1. Interakcija neutrona sa materijom
Neutroni su neutralne čestice, sa periodom poluraspada od 10 minuta. Pored toga
imaju i niski magnetni moment, tako da ih nije moguće detektovati direktno, nego samo
posredno i uz korišćenje sloţenijih metoda. Postoji veliki broj tehnika i metoda za
detekciju neutrona.
1.1 Pojam mikroskopskog efikasnog preseka
Da bi se pravilno razumela interakcija neutrona sa materijom (atomskim jezgrima)
potrebno je uvesti pojam mikroskopskog efikasnog preseka, koji predstavlja verovatnoću
interakcije neutrona sa jezgrom. Posmatrajmo neutrone koji padaju na tanku pločicu, neki
od ovih neutrona napustiće pločicu bez interakcije, neki će interagovati na taj način što će
izgubiti deo svoje energije i promeniti pravac i nastaviti kretanje, a interakcija nekih
neutrona sa atomskim jezgrima dovesti će do toga da ti neutroni ne napuste pločicu, Slika
1.1.
Slika 1.1. Šematski prikaz interakcije neutrona sa tankom pločicom
Svaki od ovih procesa ima svoju verovatnoću dešavanja. Na primer, verovatnoća da
neutron ne napusti pločicu data je relacijom:
nx
N
N
1
(1.1)
Gde je sa
N
- broj neutrona koji je interagovao preko procesa apsorbcije ili zahvata
neutrona,
N
- ukupan broj neutrona koji padaju na pločicu,
n
- broj atoma (jezgara) po
jedinici zapremine,
x
- debljina pločice. Efikasni presek ima dimenzije površine. Pošto
ovaj tip efikasnog preseka opisuje samo verovatnoću interakcije neutrona sa jednim
atomskim jezgrom, naziva se mikroskopski efikasan presek i obeleţava se sa
.
- 7 -
Tip neutrona
Energija
Hladni
< 1 meV
Termalni
< 0.5 eV
Epitermalni
0.5 eV – 50 keV
Brzi
> 50 keV
Srednje brzi
> 1 MeV
Ultra brzi
> 10 MeV
Tabela 1.1 Tipovi neutrona u zavisnosti od vrednosti kinetičke energije
1.3 Tipovi interakcija
Postoji veliki broj interakcija neutrona sa atomskim jezgrom. Na Slici 1.2. prikazani
su tipovi interakcije i njihovi efikasni preseci.
Jednostavnom notacijom moţe se predstaviti rezultat interakcije. Ako neutron
n
bude
apsorbovan ili zahvaćen od strane atomskog jezgra
T
, dolazi do formiranja atomskog
jezgra
R
i emitovanja neke čestice
g
, takva interakcija se moţe predstaviti na sledeći
način
R
g
n
T
)
,
(
. Atomska jezgra se uvek prikazuju sa strana zagrada, tj ispred i iza
zagrade.
Interakcije se mogu podeliti u dva tipa: reakcije rasejanja i reakcije apsorpcije. Kada
se neutron rasejava na atomskom jezgru, brzina i pravac se menjaju ali atomsko jezgro
posle interakcije zadrţava isti broj protona i neutrona, kao što je imalo pre interakcije.
Atomsko jezgro posle interakcije dobija energiju uzmaka i postoji verovatnoća da
atomsko jezgro ostane u nekom od pobuĎenih stanja, iz kojeg prelazi u osnovno uz
emisiju zračenja. Kada je neutron apsorbovan od strane atomskog jezgra, postoji više
vrsta zračenja koje se emituje pri prelazu iz pobuĎenog stanja jezgra u krajnje stanje
jezgra.
Slika 1.2. Različiti tipovi reakcija koje nastaju u interakciji jezgra i neutrona
Rasejanje se moţe podeliti u na dva tipa: elastično i neelastično. Pri elastičnom
rasejanju, totalna kinetička energija neutrona i atomskog jezgra ostaje nepromenjena u
interakciji. Tokom interakcije, deo kinetičke energije neutrona prelazi na jezgro. Za
![Kvantni prinos prelaza od 521kev iz raspada [196]Au](https://public-cdn.studenti.rs/132292/thumbnails/thumbnail-320.jpg)
