Способ определения энергии и интенсивности пучка частиц при активационных измерениях Советский патент 1985 года по МПК G01T1/16 

Предлагаемое техническое решение относится к экспериментальной ядерной физике и предназначено для измерения интенсивности и энергии пучка частиц при проведении ядерно-физических исследований и активационного анализа.

При проведении активационных измерений, особенно иа ускорителях, применяемых в прикладных целях, необходимо измерять интенсивность пучков частиц и их энергию простыми и надежными методами, по возможности без использования сложного дополнительного оборудования. Ускорители рассматриваемого класса, как правило, имеют энергетический, спектр конечной ширины, который принято характеризовать интегральной величиной - средней энергией. Для определения энергии и интенсивности приходится использовать специальное дополнительное оборудование, что усложняет проводимые активационные измерения.

Известен способ определения энергии пучка частиц при активационных измерениях, основанный на измерении энергетического спектра пучка с помощью электростатического или махнитного анализатора Л . По этому способу на пучок воздействуют электростатичеким или магнитным полем и с помощью детектирующего устройства измеряют энергетическое распределение частиц пучка.

Таким образом получают информацию о средней энергии пучка и энергетическом разбросе.

Такой способ является во многих случаях достаточно точным и надежным Однако этот способ требует сложного специального оборудования и применим только для исследования пучков заряженных частиц.

Другой известный cnqco6 измерения энергии пучка основан на измерении количества тепла, вьщеляемого при взимодействии пучка частиц с веществом (калориметрический метод) 2J , При этом для определения энергии пучка измеряют количество частиц поглощенных в калориметре. Для этого калориметр оснащают соответствующим оборудованием.

Недостатками упомянутых способов являются необходимость сложного приборного оснащения, громоздкость, невозможность их использования на внутренних пучках ускорителей, а также необходимость применения специальных устройств для определения интенсивности пучка. Кроме того, эти способы не позволяют.определять среднюю энергию пучка в процессе облучения исследуемых образцов при активационных измерениях.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к предложенному является способ определения энергии и интенсивности пучка частиц при активационных измерениях, основанный на измерении активности, наведенной в облучаемых образцах з . По этокгу способу пучком частиц облучают несколько образцов, содержащих изотопы с известными зависимостями величины сечений ядерных реакций от энерпяи (функции возбуждения). В результате ядерных реакций образуются радиоактивные нуклрзды. После облучения образцов с помощью детекторов радиоактивного излучения измеряют активности кагвдого образца А/. Эти величины

Ст

пропорциональны сечению.образования соответствукщих радиоактивных ну1слидов d; и интенсивности падающего пучка Ф :

A;-d;

Зная функции возбуждения соответствующих ядерньгх реакций,, толщины образцов, схемы распада радиоактивньл нуклидов и эффективность детектора, определяют энергию и интенсивность пучка частицо

Данный способ чаще используют для определения только интенсивности падающего пучка при известной энергии, так как определение энергии по этому способу, является недостаточно точным. Для определения интенсивности облучают один образец с известным сечением образования радиоактивного нуклвда и вычисляют величину из известной формулы активации:

Y 6en Pk l-e °)()

/ .. (1)

где Y - количество актов распада, зарегистрированное детектором;t - постоянная радиоактивного распада, связанная с пери дом полураспада Т 1/2 соотношением 71 6п2 /Т 1/2; и - сечение ядерной реакции, приводящей к образованию изотопа, активность котор го измеряется п - толщина образца (ядер/см) В - эффективность детектора; К - коэффициент ветвления в схеме распада; ЧбА ВЫЛ и«,м времена облучения, вьщерж ки и измерения соответственно. Использование активационного метода для определения энергии и инте сивности пучка частиц при активапио ных измерениях не требует дополнительного оборудования, позволяет пр водить измерения на невыведенных Ъу ках ускорителей и в активных зонах реакторов и в сложных условиях (например, при температуре выше Для его применения кет необходимост затрачивать дополнительное пучковое время. Способ является универсальным так как может быть применен при раб те на пучках любых типов частиц, К недостаткам этого метода относятся невысокая точность, особенно при определении энергии частиц, свя занная с заметной погрешностью известных величин сечений (до 10-15%) используемых для определения энергии необходимость точного определения толщины используемого образца; эффективности детектора и величины потока частиц независимым способом. Кроме того, надежность определения интенсивности пучка частиц в ряде случаев является невысокой, особенно, если в измеряемой области энергий частиц пучка наблюдается резкая зависимость сечения образования радиоактивного нуклида от энергии. При этом небольшая неопределенность в значении энергии может привести к значительной ошибке в определении интенсивности. Цель изобретения - повышение надежности и точности при измерении и интенсивности пучка частиц активационным методом. Цель достигается тем, что в спосо бе определения энергии и интенсивнос ти пучка частиц при активационных из мерениях пучком частиц облучают образцы, содержащие изотопы, в результате ядерных реакций на которых образуются радиоактивные нуклиды, имеющие пару изомеров с известными схемами распада и функциями возбулздения, измеряют активности, соответствующие каждому изомеру, и по их отношению определяют энергию пучка частиц, а по абсолютным значениям их активностей определяют его интенсивность, а также тем, что при известной энергии пучка частиц его интенсивность определяют дважды по абсолютным значениям активности каждого изомера. Благодаря тому что точность определения относительных сечений образования изомерных пар (изомерных отношений) существенно вьше, чем точность определения абсолютной величины сечения, предлагаемым способом можно определить энергию пучка частиц с более высокой точностью. При этом для определения энергии частиц не нужно знать с высокой точностью ни толщины используемого образца, ни величины интенсивности пучка частиц, а в случае использования реакций с возбуждением генетически связанных изомерных пар, т.е. когда в результате распада ядро переходит из изомерного в основное состояние, нет необходимости знать и эффективность детектора. При определении интенсивности пучка частиц точность данного способа такая же, как у описанного метода активационных детекторов, но благодаря тому, что при облучении одного образца имеется возможность дважды определить интенсивность пучка - по функциям возбуждения обоих изомеров, надежность предлагаемого способа вы-гае., Для определения энергии и интенсивности пучка предлагаемым способом образец, выполненный в виде тонкого слоя вещества, например фольги, облучают пучком частиц и измеряют величину активности распада основного и изомерного состояний. Затем, воспользовавшись формулой (1), определяют величиныбр fP а , rRe(if и сечения образования изомерного и основного состояний. Определяют величину п / J а и, воспользовавшись известной зависиостью величины изомерного отношения.

от энергии, определяют энергию пучка частиц. Зная функции возбуждения обоих изомеров, т,е.значения| ( 3 при данной энергии, из соответствующих величии Отц и Оа Ф определяют дважды величину 9 , .т.е. интенсивность потока. При правильно проведен ных измерениях величины интенсивностей, вычисленных из распада основного и изомерного состояний, должны отличаться незначительно, в пределах погрешностей.

Если оба изомера генетически связаны, то для определения используют .формулу

mi-обл л 4 20 ,

m

,-A,i

- иш -е« ° - ч вих,.

х(

(.

,d,-ll : l V 4be)l

4 /

(2) 30

гдеЛ иА л - постоянные распада изомерного и основного состояний.

Лучшей точности достигают, выполнив два измерения активности распада основного состояния (при этом активность, соответствующая распаду изомера, можно не измерять). После этого, используя соотношение (2), составляют систему двух линейных уравнений, в которых неизвестными величинами являются произведения и (jq , и решают её. По величине изотмерного отношения (jq определяют энергию пучка частиц, а с помощью .известных величин абсолютных значений j и dq определяют интенсивность . В этом случае величины 6

и К как источники погрешностей выбывают. Точность определения изомерного отношения не зависит, таким образом, от точности определения толщины используемого обрязца, эффективности детектора, коэффициентов ветвления в схемах распада и определяется практически статической погрешностью, которая может быть достаточно мала, так как при активационных измерениях применяют достаточно сильноточные пучки частиц, и погр€ Шностью периодов полураспада, которые обычно известны с точностью до 1-2%.

Таким образом, величина изомерных отношений может быть определена с точностью до 2-3% и благодаря резкой, как правило, зависимости величины изомерного отношения от энергии определяют энергию пучка частиц с хорошей точностью.

Сущность изобретения поясняете} графиком зависимости относительного сечения образования изомерной пары вТт..у в (Q. 2п) - реакции от энергии, приведенным на фиг. 1j и графиком функций возбуждения реакций Rb(oi,2n) (с,2п)3 Y, приведенным на фиг. 2.

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим способ определения энергии и интенсивности пучка альфа-частиц с использованием образцов рубидия. Образцы облучают пучком альфа-частиц. В результате реакции

1ф(, 2п) в них образуются изомерно состояние Y с периодом полураспада 13,2 ч и основное состояние с периодом полу-распада 80,3 ч. Затем измеряют выход - линии 381,1 кэВ и с помощью соотношения (1) определяют величину произведения 6п,Р, а по выходу -линии 484,8 кэВ определяют величину Олф, используя соотношение (2). Например (см. фиг.2 по изомерному соотношениюd /С в 5,2 определяют с помощью зависимости, приведенной на фиг.15 энергию об -частиц ,20 МэВ. Затем, определив значения d 3 WH данной энергии из зависимостей, приведенных на фиг, 2, определяют интенсивность пучка по величинам гп Ф ноd Р

Характеристику технико-экономической эффективности предлагаемого изобретения paccMOTpjBvs в сравнении с известными.

Преимущество заяв;5енного способа измерения энергии и интеисивности пучка частиц от способов, использующих электростатические или магнитные анализаторы или калориметры, заключа етсн прежде всего в том, что предлагаемь й способ не требует дополнительного сложного оборудозания (анализа™

торы частиц, детекторы, калориметры, интеграторы тока и др.). Кроме того, этот способ позволяет определять среднюю энергию и интенсивность пучка частиц, которым облучают исследуемые образцы, в процессе.активационных измерений. При этом измеряется именно энергия частиц, участвующих в возбуждении исследуемых реакций, а не энергия пучка частиц до или после активационных измерений, как в извест ных методах. Кроме того при использовании заявляемого способа не требуется дополнительного времени работы ускорителя для измерения энергии и интенсивности пучка, так как определени .этих величин происходит в процессе ак тивационных измерений на исследуемых образцах. сравнению с прототипом предлагаемый способ является более точным и

надежным..Это достигается за счет того, что при его использовании для определения энергии не требуется измерения толщины облучаемого образца и эффективности детектора, а величина изомерных отношений, по которой определяют энергию в заявляемом способе, как правило, известна с более высокой точностью, чем абсолютные значения образования радиоактивных нуклццов, используемые для определения энергии в базовом объекте. Надежность заявленного способа вы,ше, чем у базового объекта, особенно при определении интенсивйости пучка частиц, так как этавеличина определяется дважды по абсолютньм значениям d, иОа при облучении образца.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕР ГИИ И ИНТЕНСИВНОСТИ ПУЧКА ЧАСТИЦ ПР АКТИВАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ, основанный на измерении активности, наведе ной в облучаемых образцах, отличающийся тем, что, с целью повьппения надежности и точности, пучком частиц облучают образцы, содержащие изотопы, на которых в результате ядерных реакций образуются радиоактивные нуклиды, имеющие пару изомеров с известными схемами распада и функциями возбуждения, измеряют активности, соответствующие каждому изомеру, и по их отношению определяют энергию пучка частиц, а по абсолютным значениям их активностей определяют его интенсивность. 2. Способ по П.1, о тл ич ающ и и с я тем, что при известной энергии пучка частиц его интенсивность определяют дважды по абсолютным значениям активностей калщого изомера. f . M9t

600

200

15

25

30

20 ws. Z a,