СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА Российский патент 2006 года по МПК G01T1/38 

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для повышения точности определения параметров распада свободного нейтрона, включая коэффициенты корреляции вылета вторичных частиц относительно спина нейтрона и время жизни нейтрона, а также 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 механизму 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.

Известен также способ измерения коэффициента асимметрии вылета электронов относительно спина распадающегося нейтрона с использованием пучка продольно поляризованных нейтронов, пропускаемого вдоль оси сверхпроводящего соленоида, включающий регистрацию электронов распада с помощью детекторов, установленных вблизи торцов соленоида, причем электроны выводятся за пределы нейтронного пучка с помощью дополнительных обмоток, искривляющих основное поле соленоида [4].

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности признаков является способ определения такого параметра распада нейтронов, как асимметрия вылета заряженных частиц в бета-распаде поляризованных нейтронов [5], включающий использование цилиндрического сосуда хранения для удержания ультрахолодных нейтронов магнитного поля прямого тока, коаксиального сосуду, для транспортировки заряженных частиц (протонов или электронов) к двум идентичным плоским параллельным детекторам, расположенным в этом же сосуде выше области хранения нейтронов и размещенным симметрично относительно радиальной плоскости системы. Этот способ ограничен использованием ультрахолодных нейтронов, сравнительно малые потоки которых приводят к малой скорости счета частиц распада, что повышает затраты времени и стоимость эксперимента.

Целью предлагаемого способа является повышение функциональных возможностей способа за счет дополнительного измерения времени жизни нейтрона, расширение области применимости способа на пучки холодных и тепловых нейтронов и снижение стоимости.

Для достижения указанного технического результата в способе определения параметров распада нейтрона, заключающемся в том, что вводят пучок нейтронов в вакуумированную область магнитного поля прямого тока, регистрируют скорость счета образовавшихся в процессе распада нейтронов заряженных частиц посредством пары радиальных детекторов, установленных по другую сторону от центрального проводника прямого тока относительно вводимого пучка нейтронов, и на основании измеренной скорости счета определяют асимметрию вылета данных заряженных частиц, согласно предложенному изобретению магнитное поле прямого тока образуют от системы проводников, состоящей из центрального проводника и ряда боковых проводников, пучок нейтронов вводят в вакуумированную область магнитного поля перпендикулярно указанным проводникам через диафрагму с переменным отверстием с обеспечением фиксированного ступенчатого изменения числа нейтронов в пучке, дополнительно регистрируют скорость счета образовавшихся в процессе распада нейтронов заряженных частиц посредством пары горизонтальных детекторов, расположенных выше и ниже вводимого пучка нейтронов, и на основании измеренных скоростей счета от каждого отдельного радиального и горизонтального детектора и заданной погрешности методом минимизации квадратичного функционала ошибки определяют постоянную распада нейтронов.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Горизонтальный пучок нейтронов пропускают через прецизионную диафрагму с переменным диаметром отверстия в контролируемую детекторами зону в плоскости, перпендикулярной вертикальным проводникам, создающим магнитное поле прямого тока, справа или слева центрального проводника. Величину потока варьируют, добиваясь повторяемости нескольких значений потока. Параллельные радиальные детекторы для регистрации электронов или протонов распада устанавливают по другую относительно пучка сторону центрального проводника. Электроны и протоны распада, вылетающие из пучка под углами, близкими к нормальному по отношению к направлению магнитного поля, регистрируют горизотальными детекторами, расположенными выше и ниже пучка. Причем размеры детекторов выбирают из расчета сбора всех заряженных частиц, испускаемых в угол 4π, из ограниченной зоны пучка. Затем после большого числа повторений измерений обрабатывают массив значений скоростей счета электронов (или протонов) для каждого детектора, определяя с помощью частотного анализа k уровней скоростей счета G_k и их погрешности σ_k, причем постоянную λ_d распада нейтрона для каждого детектора определяют из условия минимума функционала где k_max - максимальный номер различимого уровня числа нейтронов N_k и скорости счета электронов G_k.

Перпендикулярное расположение нейтронного пучка и токовых элементов, а также предлагаемое взаимное расположение пучка и детекторов, включая дополнительные, расположенные выше и ниже пучка, позволяют регистрировать как асимметрию вылета электронов или протонов, так и полный счет заряженных частиц распада, определяя по скорости счета постоянные распада, а затем и время жизни нейтрона. Таким образом, расширены функциональные возможности способа.

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_d×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-том 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_d и ее погрешность (методом переноса ошибки).

Таким образом, указанные признаки способствуют достижению более высокой точности.

Поскольку способ допускает использование пучков нейтронов, то он может быть реализован на тепловых или холодных нейтронах, что делает этот способ широко применимым. Так достигается цель расширения области применимости способа.

Сущность изобретения характеризуется следующими чертежами:

на фиг.1. показано взаимное расположение перпендикулярных плоскости чертежа токовых элементов 1 (центральный) и 2 (боковые), реализующих магнитное поле прямого тока, и пучка нейтронов 3;

на фиг.2 при виде сверху показано взаимное расположение вертикального центрального проводника 1, создающего при пропускании тока порядка 1 МА достаточно сильное магнитное поле, нейтронного пучка 3 и детекторов 4, 5, 6 (из пары детекторов 4 показан только нижний).

Экономическая эффективность предлагаемого технического решения связана с его функциональной универсальностью и пригодностью к использованию на пучке нейтронов любой энергии. Тем не менее, требование достаточно сильного магнитного поля требует использования сверхпроводящих систем.

Предлагаемый способ 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, а абсолютная погрешность коэффициента угловой корреляции импульса электрона и спина нейтрона - до 3×10^-4.

Источники информации

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

2. Там же, стр.6-8.

3. Там же, стр.8-10.

4. Там же, стр.27-28

5. А.с. SU 1601594 А1, опубликовано 23.10.1990.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для повышения точности определения таких параметров распада свободного нейтрона как коэффициент асимметрии вылета из нейтрона заряженных частиц и время жизни нейтрона. Целью предлагаемого способа является повышение функциональных возможностей способа за счет дополнительного измерения времени жизни нейтрона и расширение области применимости способа на пучки холодных и тепловых нейтронов. Способ определения параметров распада нейтрона заключается в том, что вводят пучок нейтронов в вакуумированную область магнитного поля прямого тока, образованного от системы проводников, состоящей из центрального проводника и ряда боковых проводников, при этом указанный пучок направляют перпендикулярно указанным проводникам через диафрагму с переменным отверстием с обеспечением фиксированного ступенчатого изменения числа нейтронов в пучке, затем регистрируют скорость счета образовавшихся в процессе распада нейтронов заряженных частиц посредством пары радиальных детекторов, установленных по другую сторону от центрального проводника прямого тока относительно вводимого пучка нейтронов, и пары горизонтальных детекторов, расположенных выше и ниже вводимого пучка нейтронов, на основании измеренных скоростей счета определяют асимметрию вылета данных заряженных частиц и постоянную распада нейтронов. 2 ил.

Способ определения параметров распада нейтрона, заключающийся в том, что вводят пучок нейтронов в вакуумированную область магнитного поля прямого тока, регистрируют скорость счета образовавшихся в процессе распада нейтронов заряженных частиц посредством пары радиальных детекторов, установленных по другую сторону от центрального проводника прямого тока относительно вводимого пучка нейтронов, и на основании измеренной скорости счета определяют асимметрию вылета данных заряженных частиц, отличающийся тем, что магнитное поле прямого тока образуют от системы проводников, состоящей из центрального проводника и ряда боковых проводников, пучок нейтронов вводят в вакуумированную область магнитного поля перпендикулярно указанным проводникам через диафрагму с переменным отверстием с обеспечением фиксированного ступенчатого изменения числа нейтронов в пучке, дополнительно регистрируют скорость счета образовавшихся в процессе распада нейтронов заряженных частиц посредством пары горизонтальных детекторов, расположенных выше и ниже вводимого пучка нейтронов, и на основании измеренных скоростей счета от каждого отдельного радиального и горизонтального детектора и заданной погрешности методом минимизации квадратичного функционала ошибки определяют постоянную распада нейтронов.