СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕЙТРОНА Российский патент 2004 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для повышения точности определения времени жизни свободного нейтрона в распаде n→ p⁺e^-ν^{и создания соответствующих устройств.}

Известен способ измерения времени жизни нейтрона, использующий свойство ультрахолодных нейтронов отражаться от стенок, изготовленных из материалов с положительной амплитудой рассеяния нейтронов [1]. В этом способе сосуд наполняют ультрахолодными нейтронами, запирают нейтроны в сосуде, удерживают в течение различных интервалов времени, выпускают нейтроны из сосуда на детектор, фиксируя количество нейтронов, оставшихся в сосуде, в зависимости от времени удержания. Затем по кривой удержания с помощью различных поправок, учитывающих различные механизмы потерь нейтронов при многократном взаимодействии со стенками сосуда, извлекают значение времени жизни нейтрона за счет бета-распада нейтрона. Недостатком метода является недостаточное изучение механизмов взаимодействия нейтронов с материалами и поверхностными загрязнениями, сосредоточенными в тонком слое, соизмеримом с длиной волны нейтронов.

Известны также способы [2, 3] регистрации протонов от распада нейтронов. В этих способах протоны из некоторой области нейтронного пучка собираются на детектор с помощью магнитных и электростатических полей. При этом необходимо точно измерить поток нейтронов пучка для возможно более точного определения количества N нейтронов в заданной области пучка в данном интервале времени. Затем, измеряя скорость G счета протонов, из соотношения G=λ · N определяют постоянную распада нейтронов λ , а значит и время жизни нейтрона τ =1/λ , с соответствующими погрешностями. Погрешность определения времени жизни нейтрона в этих способах определяется, таким образом, погрешностью измерения скорости счета и погрешностью числа нейтронов. Погрешность числа нейтронов является наибольшей, поскольку необходимо параллельно с измерением скорости счета протонов определять число нейтронов по измеренному с точно известной эффективностью потоку нейтронов, а это требует точного знания распределения нейтронов по скорости. И поток нейтронов, и распределение нейтронов в нем могут изменяться со временем, что определяется эксплуатацией и устройством источника нейтронов, например ядерного реактора. Все это ограничивает точность метода и затрудняет его реализацию.

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности признаков является способ регистрации скорости счета электронов, выделяемых из пучка нейтронов с помощью перпендикулярного пучку однородного магнитного поля и направляемых им к плоским детекторам, установленным параллельно пучку нейтронов [4]. Здесь источником нейтронов также является горизонтальный канал ядерного реактора, используется то же соотношение между скоростью счета электронов и количеством нейтронов в выделенной области пучка нейтронов. Этому способу свойственны те же источники систематической ошибки, но есть и дополнительный источник. Это источник систематической ошибки связан с тем, что на торцы детекторов попадают электроны, движущиеся в магнитном поле по винтовой линии, средняя линия которой, вообще говоря, идет мимо зоны детекторов. Эти краевые эффекты учитывают с помощью различных расчетов, которые весьма трудно проверить экспериментально. Все перечисленные факторы ограничивают абсолютную точность способов, связанных с регистрацией продуктов нейтронного распада, величиной порядка 10 секунд.

Целью предлагаемого способа является повышение точности измерения времени жизни нейтрона, снижение стоимости и расширение области применимости способа.

Данная цель достигается том, что для выделения бета-распада нейтрона регистрируется скорость счета электронов, транспортируемых к детектору с помощью тех или иных известных устройств, например магнитного поля соленоида; поток нейтронов пропускают через контролируемую детектором зону распада; величину потока варьируют, добиваясь повторяемости k-значений потока, причем в зоне распада необходимо обеспечить такое количество нейтронов, чтобы скорость счета электронов детектором соответствовала распаду N_k=3-30, но не более 100 нейтронов, k≥ 3. Затем, после большого числа повторений измерения обрабатывают массив значений скоростей счета электронов, определяя с помощью частотного анализа k уровней скоростей счета G_k и их погрешности σ _k причем постоянную λ распада нейтрона определяют из условия минимума функционала где k_max - максимальный номер различимого уровня числа нейтронов N_k и скорости счета электронов G_k.

Признаки изобретения связаны с достигаемой целью следующим образом.

Изменение количества нейтронов в контролируемой зоне распада повторяемыми уровнями N_k и измерение уровней скорости счета G_k позволяют приблизительно или точно оценить эти уровни с помощью соотношения G_k=λ · N_k. При этом использован тот факт, что какова бы ни была эффективность устройства транспортирующего электроны к детектору вместе с эффективностью детектора, все равно скорость счета электронов детектором пропорциональна некоторому числу нейтронов, а коэффициент пропорциональности точно равен постоянной распада нейтрона. Причем, поскольку эта постоянная распада уже известна с какой-то, пусть и недостаточной точностью, этого достаточно для того, чтобы определить какую часть нейтронов N_k видит детектор при k-м уровне потока нейтронов.

Изменение числа нейтронов, проходящих через контролируемую зону, заданными ступенями позволяет отличить сигнал распада от фона.

Измерения распада малого количества нейтронов в контролируемой области (например, от 3 до 30, но не более 100) при большом количестве измерений каждого уровня (например, порядка 100000) обеспечивают высокую точность определения уровней скорости счета. Использование частотного анализа позволяет увидеть эти уровни и определить их положение G_k, кратность положения постоянной распада и погрешность положения (стандартную ошибку или ошибку среднего σ _k).

Использование функционала позволяет объединить определенные уровни скорости счета единой гипотезой их кратности, а использование требования минимальности функционала позволяет определить величину постоянной распада λ и ее погрешность (методом переноса ошибки).

Таким образом, указанные признаки способствуют достижению более высокой точности.

Поскольку способ не требует высоких потоков нейтронов, то он может быть реализован, например, там, где в качестве источника нейтронов используют импульсные генераторы нейтронов, основанные на D(d,n) или T(d,n) реакциях, излучающие быстрые нейтроны с энергией около 14 МэВ. Более того, в зависимости от устройства доставки нейтронов в контролируемую область, можно использовать тепловые или холодные, а также ультрахолодные нейтроны. Отсутствие требования высоких потоков делает этот способ широко применимым. Так достигается цель расширения области применимости способа.

Возможная замена высокопоточного реактора (которого нет в России) импульсным нейтронным генератором стоимостью 55 тыс. у.е. (которые в России производятся) наглядно показывает достижение цели в части снижения стоимости.

Сущность изобретения характеризуется чертежом, где на фиг.1. показан пример частотной гистограммы скорости счета электронов; на фиг.2 - пример определения положения одного из уровней скорости счета и его погрешности; на фиг.3 - пример реализации способа.

Способ реализуется следующим образом. Источники нейтронов 1 и 2, испускающие разные потоки быстрых нейтронов, вместе или раздельно облучают установку, содержащую детекторы 3 и 4 электронов, установленные в продольном (вдоль оси, соединяющей центры детекторов) магнитном поле, создаваемом соленоидом 5. Горизонтально расположенный соленоид 5 необходимых размеров создает магнитное поле порядка 5 кГс. Внутри соленоида расположена вакууммированная камера 6. Детекторы электронов могут быть разного типа (газовые, сцинтилляционные, кремниевые или другие). Соленоид через боковые элементы обмотки облучается коллимированным пучком (или двумя и более пучками) от изотопных источников или импульсных генераторов нейтронов. Включая (открывая) разное количество источников меняют уровни потока нейтронов через камеру соленоида, т.е. меняют количество нейтронов в контролируемой детектором области.

Изменение потока может быть достигнуто и с одним источником нейтронов любого типа с помощью экрана переменной толщины, установленного между источником и установкой для контроля вакуумной области на наличие электронов распада (на фиг.3. экран не показан). При каждом уровне числа нейтронов (потока) многократно измеряют скорость счета электронов, изменяя интервал считывания и выбирая оптимальный с точки зрения статистической обеспеченности. Затем, после большого числа повторений измерения обрабатывают массив значений скоростей счета электронов, определяя с помощью частотного анализа k уровней скоростей счета G_k и их погрешности σ _k причем постоянную λ распада нейтрона определяют из условия минимума функционала где k_max - максимальный номер различимого уровня числа нейтронов N_k и скорости счета электронов G_k.

В таблице приведены результаты такого анализа, иллюстрированного фиг.1. и фиг.2. Всего проведено 36 тысяч измерений скорости счета с интервалами считывания 10, 15 и 22 с. Обработка уровней кратности, указанных в таблице, дает значение времени жизни нейтрона 901± 0,15 секунд. Это значение превосходит наиболее точные измерения последних лет. При этом оно совместимо с результатами, полученными регистрацией электронов и протонов распада, но значимо отличается от результатов на ультрахолодных нейтронах.

Экономическая эффективность предлагаемого технического решения связана с его простотой. Нужно найти готовый соленоид, вставить в него вакуумную камеру, установить детекторы на торцах и купить нейтронный генератор типа НГИ в НИИ Автоматики (г.Москва, Россия).

Предлагаемый способ не требует высокопоточных реакторов и может быть использован на любом исследовательском реакторе, например, реакторе ИРТ в МИФИ. При этом погрешность измерения времени жизни нейтрона может быть снижена до 0,1 с.

Источники информации

1. Б.Г.Ерозолимский. Бета-распад свободного нейтрона. Сборник “Современные методы ядерной спектроскопии”. - Л.: Наука, 1986, с.10-13.

2. Там же, с. 6-8.

3. Там же, с. 8-10.

4. C.J.Christensen, A.Nielsen, A.Bahnsen, W.K.Brown, B.M.Rustad. Phys. Rev. 1972, D5, 7, p.1628.

Использование: в области экспериментальной физики. Сущность: в способе регистрируют электроны от распада нейтрона, измеряют скорости счета электронов, определяют по скорости счета электронов и количеству нейтронов время жизни нейтрона, при этом варьируют величину потока нейтронов, пропускаемого через контролируемую детектором зону распада. Технический результат - повышение точности измерения, расширение области применимости способа. 3 ил., 1 табл.

Способ измерения времени жизни нейтрона, включающий транспортировку из контролируемой зоны к детектору и регистрацию электронов от распада нейтрона, измерение скорости счета электронов, определение по скорости счета электронов и количеству нейтронов времени жизни нейтрона, отличающийся тем, что при измерениях скорости счета электронов варьируют величину потока нейтронов, пропускаемого через контролируемую детектором зону распада, добиваясь повторяемости k-значений потока, причем в зоне распада обеспечивают такое количество нейтронов, чтобы скорости счета электронов соответствовали распаду N_k (например, от 3 до 30, не более 100) нейтронов, после повторений измерений в массиве значений скоростей счета электронов частотным анализом определяют k уровней скоростей счета G_k и их погрешности σ_k, причем постоянную распада нейтрона λ=1/τ, где τ - время жизни нейтрона, определяют из условия минимума функционала

где k_max - максимальный номер различимого уровня числа нейтронов N_k;

G_k - скорость счета электронов.