Нейтронная спектроскопия

Нейтронная спектроскопия, нейтронная спектрометрия, область ядерной физики, охватывающая исследования зависимости эффективного поперечного сечения взаимодействия нейтронов с атомными ядрами от энергии нейтронов.

Характерной особенностью энергетической зависимости сечений о взаимодействия медленных нейтронов с ядрами является наличие так называемых нейтронных резонансов - резкого увеличения (в 10-10⁵ раз) поглощения и рассеяния нейтронов вблизи определённых энергий (рис. 1). Избирательное (резонансное) поглощение нейтронов определённых энергий впервые было обнаружено Э. Ферма с сотрудниками в 1934. Ими же было показано, что способность поглощать медленные нейтроны сильно меняется от ядра к ядру.

Образующееся после захвата нейтрона высоковозбуждённое (резонансное) состояние ядра нестабильно (время жизни ~10^-15 сек): ядро распадается с испусканием нейтрона (резонансное рассеяние нейтронов) или g-кванта (радиационный захват). Значительно реже испускаются a-частица или протон. Для некоторых очень тяжёлых ядер (U, Pu и др.) происходит также деление возбуждённого ядра на 2, реже на 3 осколка (см. Ядра атомного деление).

Вероятности различных видов распада резонансного состояния ядра характеризуются так называемыми ширинами резонансов (нейтронной Г_д, радиационной Г_g, делительной Г_g, a-шириной Г_aи т.д.). Эти ширины входят в качестве параметров в формулу Брейта - Вигнера, которая описывает зависимость эффективного сечения взаимодействия нейтрона с ядром от энергии нейтрона E вблизи резонансной энергии E₀. Для каждого вида (i) распада формула Брейта - Вигнера приближённо может быть записана в виде:
Здесь Г = Г_n + Г_g + Г_a +...- полная ширина нейтронного резонанса, равная ширине резонансного пика на половине высоты, g - статистический фактор, зависящий от спина и чётности резонансного состояния ядра.
Эффективные сечения измеряются с помощью нейтронного спектрометра, основными элементами которого являются источник И моноэнергетических нейтронов с плавно изменяемой энергией и детектор Д нейтронов или вторичного излучения. Полное сечение Г определяется из отношения отсчётов нейтронного детектора Д с мишенью М, расположенной на пути пучка и вне пучка (рис. 2, а). При измерении парциальных сечений регистрируется вторичное излучение (g-лучи, вторичные нейтроны, осколки деления и т.д.) из мишени, помещенной на пути нейтронов. В области энергии £ 10 эв в качестве нейтронного источника иногда используются кристаллические нейтронные монохроматоры, которые устанавливаются на канале ядерного реактора и выделяют пучки нейтронов с определённой энергией (рис. 2, б). Поворачивая кристалл, изменяют энергию нейтронов (см. Дифракция частиц). Для энергии ³ 30 кэв обычно используют ускорители Ван-де-Граафа (см. Электростатический ускоритель), в которых моноэнергетические нейтроны образуются в результате ядерных реакций типа ⁷Li (p, n)⁷Be. При изменении энергии протонов изменяется энергия вылетающих нейтронов (энергетический разброс DE ~ 1 кэв).
Более распространённым методом в Н. с. является метод времени пролёта, в котором используются нейтронные источники с широким энергетическим спектром, испускающие нейтроны в виде коротких вспышек длительностью t. Специальное электронное устройство, называемое временным анализатором, фиксирует интервал времени t между нейтронной вспышкой и моментом попадания нейтрона в детектор, т. е. время пролёта нейтронами расстояния L от источника до детектора. Энергия нейтронов E в эв связана со временем t в мксек соотношением: E = (72,3L)²/t².???? (2)
При измерении парциальных сечений методом времени пролёта детектор располагают непосредственно около мишени.
Так как вторичная частица испускается практически одновременно с захватом нейтрона, то фиксируется момент захвата нейтрона ядром, а, следовательно, определяется энергия нейтрона по времени t пролёта. Энергетическое разрешение DE нейтронного спектрометра по времени пролёта приближённо можно представить в виде: DE/E = 2t/t.???? (3)
Импульсными источниками нейтронов обычно служат ускорители заряженных частиц или стационарные ядерные реакторы с механическими прерывателями, периодически пропускающими нейтроны в течение времени t ~ 1 мксек. Один из лучших нейтронных спектрометров по времени пролёта создан в Ок-Ридже (США). Он содержит линейный ускоритель электронов с энергией 140 Мэв. Электроны за счёт тормозного g-излучения выбивают из мишени 10¹¹ нейтронов за время электронного импульса (t = 10^-8 сек) при частоте повторения импульсов до 1000 в 1 сек. Разрешение DE такого спектрометра при L = 100 м и E = 100 эв составляет 3Ї10^-3 эв. В Н. с. часто используются детекторы, вырабатывающие сигнал, величина которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы (см. Полупроводниковый детектор, Пропорциональный счётчик, Сцинтилляционный счётчик). Это позволяет измерить энергетический спектр вторичных частиц, вылетающих из мишени, что значительно расширяет объём информации о возбуждённых состояниях ядер и механизмах различных ядерных переходов и т.д.
Анализ экспериментальных данных позволяет определять такие характеристики резонанса, как энергия E₀, полная Г и парциальные ширины, спин и чётность резонансных состояний ядер. Для большинства стабильных ядер эти характеристики известны (по крайней мере E и Г_n) для десятков, а иногда и сотен резонансов. При более высоких энергиях нейтронов разрешающая способность нейтронных спектрометров становится недостаточной для выделения отдельных резонансов. В этом случае исследуются усреднённые полные и парциальные сечения, которые дают сведения о средних характеристиках резонансов.
Величины энергетических интервалов D между соседними резонансами ядра флуктуируют. Среднее значение <D> может сильно меняться при переходе от ядра к ядру. Общей закономерностью является уменьшение <D> с увеличением массового числа А (от 10⁴ эв для А = 30 до 1 эв для U и более тяжёлых ядер). При переходе от ядер с нечётным А к соседним чётным происходит скачкообразное увеличение <D>, что связано с изменением энергии связи захватываемого нейтрона. Нейтронные ширины резонансов Г_n также флуктуируют от резонанса к резонансу для данного ядра. Кроме того, Г_n растут в среднем пропорционально E₀^1/2, поэтому обычно пользуются приведёнными нейтронными ширинами Г?_n = Г_n/E^1/2. Средние значения нейтронных ширин <Г_n> коррелируют с величинами <D>. Каждая из них для разных ядер может отличаться в 10³-10⁴раз, но их отношение S₀ = < Г_n/E>/ <D>, называется силовой функцией, слабо и плавно изменяется от ядра к ядру. Зависимость S₀ от А хорошо объясняется с помощью оптической модели ядра (см. Ядерные модели).
После захвата нейтрона ядро переходит в высоковозбужденное состояние, ниже которого обычно расположено множество др. состояний. Его распад с испусканием g-квантов может происходить многими путями через различные промежуточные уровни. Это приводит к тому, что полная радиационная ширина Г_g- для каждого резонанса является усреднённой по большому числу путей распада, а следовательно, мало изменяется от резонанса к резонансу и плавно меняется от ядра к ядру. Обычно полная радиационная ширина при переходе от средних ядер (A " 50) к тяжёлым (А " 250) изменяется примерно от 0,5 эв до 0,02 эв. В то же время радиационные ширины, характеризующие вероятность g-перехода на данный промежуточный уровень, сильно флуктуируют от резонанса к резонансу, как и нейтронные ширины. Спектр g-лучей распада нейтронных резонансов даёт информацию о распадающемся состоянии (спин, чёткость, набор парциальных ширин). Кроме того, энергии отдельных g-переходов позволяют определить энергии нижележащих уровней, а интенсивности g-переходов - спин и чётность, иногда и природу уровня.
Делительные ширины Г_д также заметно флуктуируют от резонанса к резонансу. Помимо осколков, при делении ядер под действием нейтронов испускаются g-кванты и вторичные нейтроны. Число нейтронов составляет 2-3 на 1 акт деления и практически не меняется от резонанса к резонансу. Эта величина, а также отношение вероятностей радиационного захвата и деления играют важную роль при конструировании ядерных реакторов.
У полутора десятков ядер обнаружено испускание a-частиц после захвата медленных нейтронов. Для лёгких ядер (В, Li) этот процесс является преобладающим. В средних и тяжёлых ядрах он затруднён кулоновским барьером ядра. Здесь в наиболее благоприятных случаях Г_a в 10⁴-10⁹ раз меньше Г_g. Н. с. даёт в этом случае информацию о высоковозбуждённых состояниях ядер, о механизме a-распада.
Данные Н. с. важны не только для ядерной физики. Реакторостроение нуждается в точных сведениях о взаимодействии нейтронов с делящимися материалами, а также материалами конструкции и защиты реакторов. Данные Н. с. используются для определения элементного и изотопного состава образцов без их разрушения (см. Активационный анализ). В астрофизике они необходимы для понимания распространённости элементов во Вселенной.
Методы Н. с. нашли широкое применение в исследованиях структуры твёрдых тел и жидкостей, а также динамики различных процессов, например колебаний кристаллической решётки (см. Нейтронография).? Лит.: Юз Дж. Д., Нейтронные эффективные сечения, пер. с англ., М., 1959; Рей Е. Р., Экспериментальная нейтронная спектроскопия, "Проблемы физики элементарных частиц и атомного ядра", 1971, т. 2, в. 4, с. 861; Франк И. М., Развитие и применение в научных исследованиях импульсного реактора ИБР, там же, с. 805; Боллингер Л. М., Гамма-кванты при захвате нейтронов, там же, с. 885; Попов Ю. П., (N, a) - реакция - новый канал для изучения природы нейтронных резонансов, там же, с. 925; Физика быстрых нейтронов, под ред. Дж. Мариона. и Дж. Фаулера, пер. с англ., т. 2, М., 1966.
? Л. Б. Пикельнер, Ю. П. Попов.