Полная версия

Главная arrow Экология arrow Влияние вторичных нейтронов космических лучей на тропосферу и биосферу Земли: эколого-экономический аспект

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Методы регистрации вторичных нейтронов

Нейтронную компоненту можно регистрировать с помощью пропорциональных счетчиков [3], наполненных трехфтористым бором, обогащенным изотопом В10, взаимодействие которого с нейтронами приводит к реакции:

В результате освобождается энергия около 2,5 МэВ, причем на долю а-частицы приходится около 1,6 МэВ, а на долю ядра Li - 0,9 МэВ. Обе частицы разлетаются в противоположных направлениях и образуют при полном использовании пробега около 80 000 пар ионов. Благодаря тому, что фтористый бор принадлежит к гасящим газам, счетчик работает стабильно, при этом коэффициент усиления может достигать значения нескольких тысяч.

Естественный бор состоит из смеси изотопов В$° (около 20 %) и Вг (около 80 %), а реакция идет только на В°, поэтому для увеличения эффективности счетчиков эта смесь обогащается изотопом В°. Эффективность счета определяется вероятностью захвата нейтрона ядрами бора. Сечение захвата о в широком диапазоне энергии нейтронов обратно пропорционально их скорости и достигает максимального значения для тепловых нейтронов, где о = 550 • 10-24 см2, так что такой счетчик регистрирует в основном тепловые нейтроны.

Счетная характеристика борного счетчика имеет широкое плато, поскольку импульсы от а-частиц одинаковы по величине и значительно превышают импульсы от р-частиц и ионизирующих частиц космических лучей. Поскольку на каждый акт регистрации расходуется лишь по одному ядру изотопа В°, при регистрации нейтронов космических лучей срок службы счетчика практически бесконечен.

Окружая борные счетчики различными веществами, в которых происходит генерация и замедление нейтронов, будем получать разные детекторы:

  • а) если счетчики не окружены каким-либо веществом, то замедление нейтронов происходит в атмосфере, и такой регистратор чувствителен в основном к малоэнергетичной части нейтронной компоненты;
  • б) счетчики можно окружить замедлителем или углеродом. В этом случае будут регистрироваться в основном высокоэнергетичные нейтроны из атмосферы, замедление которых происходит в веществе-замедлителе. Поскольку в атмосфере нейтроны практически не замедляются, уменьшаются и даже исключаются трудности, связанные с изменениями характеристик воздуха в облаках во время осадков. Поэтому для изучения свойств нейтронной компоненты применяются в основном детекторы быстрых нейтронов;
  • в) эти трудности в значительной мере устраняются, если регистрирующие нейтроны возникают не в воздухе и не в окружающих предметах, а при местных ядерных расщеплениях в конденсирующих веществах, в которые помещаются счетчики с BF3. Такой процесс можно назвать локальной генерацией нейтронов. Генерация нейтронов в веществе возрастает с увеличением его атомного веса. Отношение нейтронной множественности (среднее число нейтронов, испускаемых при ядерном расщеплении малой энергии) в свинце к множественности в графите - около 8:1. Поэтому, используя в качестве конденсирующих веществ материалы с большим атомным номером, а также обычные замедлители (парафин или графит) для замедления нейтронов, генерированных в этих веществах, можно существенно уменьшить и практически свести на нет долю нейтронов, образованных и замедлившихся в атмосфере и окружающих предметах. Кроме того, скорость нейтронов в этом случае существенно выше при равных количествах ВF3, чем в первом и во втором случае.

Детектор такого типа, пригодный для изучения вариаций интенсивности нейтронной компоненты, получил название детектора локальной генерации или нейтронного монитора. Отметим, что измерения детекторами подобного типа интенсивности нейтронов как функции высоты над уровнем моря и геомагнитной широты показали в пределах 6 % полное соответствие с аналогичными измерениями интенсивности быстрых нейтронов в свободной атмосфере детекторами, рассмотренными во втором случае, без применения конденсирующих веществ [66]. Это указывает на одинаковость связи нейтронов, регистрируемых в обоих случаях, с первичным потоком, что существенно для изучения вариаций космических лучей.

Однако при использовании детектора для целей непрерывной регистрации возникают серьезные трудности. Прежде всего, подобный детектор реагирует на изменения образования быстрых нейтронов в окружающем пространстве, вызываемые передвижением предметов, снегопадом, дождем и т. п. Далее, для данного количества газа BF3 наблюдаемая скорость счета слишком низка.

С 1990 г. счетные трубки заполняют газом Не3 вместо BF3 [67-73], они также были использованы и в нейтронных мониторах. Не3-счетчики имеют более простую конструкцию. Экзотермическая реакция нейтронов с Не3:

Еще одним преимуществом Не3 как счетного газа является то, что счетная трубка может работать на гораздо более высоком давлении газа и с напряжением менее 1 500 В. При более высоком давлении в счетном газе может быть достигнута большая эффективность обнаружения в единице объема.

Хотя счетчики на основе вышеупомянутых реакций (2.25) и (2.26) являются наиболее эффективными для обнаружения тепловых нейтронов за счет - зависимости от поперечного сечения о (v — скорость), быстрые

нейтроны могут быть обнаружены путем окружения счетных трубок замедляющими материалами, содержащими водород, например, парафин или полиэтилен. Схематическое устройство нейтронного монитора изображено [73] на рис. 14.

Схематический вид нейтронного монитора [73]

Рис. 14. Схематический вид нейтронного монитора [73]

Падающий нуклон, в данном случае протон, взаимодействует со свинцом. В иллюстрированном случае в ядерной реакции рождаются три нейтрона. Случайным образом нейтроны проходят в разные материалы НМ. Два нейтрона остановились в отражателе (поглощается нейтрон) и один нейтрон проходит через вещество замедлителя, где он замедляется и, наконец, обнаруживается в счетчике трубки.

Данные характеристики нейтронных мониторов представлены в табл. 2.

Более совершенные модели нейтронных мониторов приведены в [74]. Далее, в табл. 3, представлены основные технические характеристики одного из новейших нейтронных мониторов, разработанного компанией Canberra [75-81]

Характеристики нейтронных мониторов [67]

Таблица 2

Счетчики

IGY

NM64

Активная длина (см)

86,4

191

Диаметр (см)

3,8

14,8

Давление(бар)

0,60

0,27

Замедлитель

Материал

Парафин

Полиэтилен

Средняя толщина (см)

3,2

2,0

Свинцовый источник

Материал

Свинец

Свинец

Средняя глубина (г/см )

153

156

Отражатель

Материал

Парафин

Полиэтилен

Средняя толщина (см)

28

7,5

Параметры 2 БПИД-монитора тепловых нейтронов [75]

Таблица 3

Тип детектора

Двухмерный позиционно-чувствительный детектор низкой эффективности

Чувствительная область

100x100 мм

Эффективность

10-2-10-6 (для нейтронов с длиной волны 1 А в зависимости от газовой смеси)

Координатное разрешение

4x4 мм

Загрузка

До 100 кГц (минимальная скорость счета, выше которой просчеты из-за нарушения адресации, мертвого времени и насыщения электроники превышают 10 % от истинной скорости счета)

Однородность каналов

Не хуже 20 % (без суммирования) и 5 % (с суммированием)

Ослабление падающего пучка

Меньше 5 %

Материал корпуса

Алюминий Д16Т

Входное окно

Алюминий 1 мм

Рабочий газ

3Не или N2 + CF4

Суммарное давление

1 атм

Предусилители

Питание

12 В, 90 мА

Полярность входного сигнала

Положительная или отрицательная, ZBX = 50П

Полярность выходного сигнала

Отрицательная, ZBbiX = 50П

Разъем

BN С

Высокое напряжение

До 3,5 кВ

Разъемы

MNV, BNC

Анод

Диаметр d = 10 мкм, шаг 2 мм

Катод

Диаметр d= 50 мкм, шаг 1 мм

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>