Способ определения профиля концентрации легких ядер по глубине образца

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЕГКИХ ЯДЕР ПО ГЛУБИНЕ ОБРАЗЦА, заключающийся в том, что исследуемый образец облучают параллельным пучком моноэнергетических нейтронов и регистрируют продукты реакции упругого рассеяния, отличающийся тем, что, с целью увеличения глубины анализируемой области, регистрируют упруго рассеянные нейтроны с помощью резонансного детектора, перед которым расположен коллиматор, выполненный из тонких слоев того же вещества, что и резонансный детектор, причем угол наклона слоев коллиматора по отношению к направлению первичного пучка нейтронов равен углу, под которым нейтроны рассеиваются на определяемых ядрах при потере энергии
E = E_о - E_p ,
где Е₀ - энергия нейтронов пучка;
Е_р - резонансная энергия детектора;
причем энергию нейтронов пучка выбирают в эпитепловой области, а профиль концентрации определяют по распределению активности резонансного детектора.

Изобретение относится к технической физике, а именно к способам определения физических и химических свойств веществ с помощью нейтронного излучения, и может быть применено в геологии, геофизике, материаловедении, дефектоскопии и при исследовании биологических объектов.
Целью изобретения является увеличение глубины анализируемой области при определении профиля концентрации легких ядер по глубине образца.
На фиг. 1 приведена схема выполнения анализа; на фиг. 2 - зависимость энергии рассеянных нейтронов от угла рассеяния для нуклидов с различными атомными массами.
При прохождении пучка направленных нейтронов 1, имеющих моноэнергетический спектр в эпитепловой области энергий, через исследуемый образец 2 происходит их упругое рассеяние на ядрах вещества образца и, как следствие этого, потеря энергии. Энергия, которую имеют рассеянные нейтроны, находится в определенном соотношении с углом рассеяния. Вместе с тем, это соотношение, как можно видеть из кривых, приведенных на фиг. 2, зависит от атомной массы ядра, на котором произошло рассеяние. Таким образом имеется возможность избирательного определения содержания ядер с атомной массой А путем избирательной регистрации нейтронов, потерявших заданную величину энергии и рассеянных на заданный угол. Для регистрации таких нейтронов служат коллиматор 3 и резонансный детектор 4. Резонансный детектор 4 чувствителен в основном только к нейтронам, имеющим энергию в узкой области резонанса. Выбирая резонансный детектор, можно выбрать определенную область энергий, в которой регистрируются рассеянные нейтроны. Резонансный детектор имеет, хотя и существенно меньшую чувствительность к нейтронам нерезонансной энергии, что создает фон. Чтобы фон был наименьшим, резонансный детектор должен быть вынесен за пределы поля нейтронов источника. Рассеянные нейтроны предварительно пропускают через коллиматор 3, выполненный из тонких слоев того же вещества, что и резонансный детектор. Коллиматор 3 служит цели отделения от всех рассеянных нейтронов, имеющих выбранную энергию, только тех, которые рассеиваются на определяемых ядрах. Рассеянные нейтроны предварительно пропускают через коллиматор под углом, под которым нейтроны рассеиваются на определяемых ядрах и в результате этого теряют энергию E = E_o - E_p. Этот угол может быть вычислен на основе известных кинематических законов.
В то же время, пропуская нейтроны через коллиматор, можно локализовать ту область исследуемого образца, в которой происходит рассеяние нейтронов на определяемых ядрах. Для достижения наибольшего глубинного разрешения при определении профиля концентрации толщина стенок коллиматора должна быть минимальной, поэтому он должен изготавливаться из тонких слоев. Чтобы такой коллиматор, изготовленный из тонких слоев, работал эффективно, он должен быть изготовлен из вещества с большим сечением поглощения нейтронов заданной энергии, т. е. из того же вещества, что и резонансный детектор.
Резонансный детектор и коллиматор, описанный выше, могут работать только в эпитепловой области энергий, поэтому и энергию нейтронов пучка выбирают также в эпитепловой области.
Распределение активности резонансного детектора вдоль направления, являющегося проекцией на плоскость детектора направления нейтронов источника, соответствует профилю концентрации определяемых легких ядер по глубине образца, поэтому в предлагаемом способе профиль концентрации определяют по распределению активности резонансного детектора.
Способ позволяет анализировать в качестве продуктов реакции упругого рассеяния нейтроны, которые имеют существенно много большие пробеги в исследуемом веществе, чем анализируемые в прототипе заряженные ядра отдачи. Большие пробеги как нейтронов источника, так и рассеянных нейтронов позволяют определять профили концентрации легких ядер на существенно много большей, по сравнению с прототипом, глубине образца.
Как следует из кинематических законов, при рассеянии на легких ядрах нейтроны теряют наибольшую энергию. Это дает возможность, выбирая энергию нейтронов пучка и резонансный детектор, добиться условия E>> Г, где Г - ширина резонанса, что, в свою очередь, позволяет добиться избирательности при определении профиля концентрации легких ядер. При рассеянии нейтронов на тяжелых ядрах этого условия добиться трудно, поэтому способ предназначен для определения профиля концентрации легких ядер.
В качестве примера выполнения способа приводится определение профиля концентрации дейтерия в какой-либо металлической матрице, например в палладии.
Пучок моноэнергетических нейтронов в эпитепловой области энергий получают за счет резонансного рассеяния нейтронов, имеющих сплошной спектр, на ядрах ¹⁵²Sm. В этом случае энергия нейтронов пучка составляет E_o = 8,03 эВ. Путем коллимации нейтронов получают параллельный пучок. В качестве резонансного детектора служит фольга из золота. Золото ¹⁹⁷Au имеет нейтронный резонанс с энергией Е_p = 4,9 эВ. Коллиматор рассеянных нейтронов, как и детектор, должен быть изготовлен из золотой фольги толщиной, например, 20 мкм. Для упрощения технологии он может быть изготовлен путем последовательного чередования фольги из Au с фольгой из Al. Al практически прозрачен для рассеянных нейтронов.
Как можно видеть из кривых, приведенных на фиг. 2, для регистрации с помощью резонансного детектора из золота нейтронов, рассеянных на ядрах дейтерия, угол пропускания нейтронов коллиматоров должен составлять 58^ок направлению пучка моноэнергетических нейтронов. При этом не будут регистрироваться нейтроны, рассеянные на других ядрах, например водороде или гелии, которые также могут присутствовать в исследуемом образце. Для наилучшей локализации области рассеяния нейтронов, т. е. достижения наилучшего глубинного разрешения по профилю концентрации дейтерия необходимо иметь коллиматор с как можно меньшим углом пропускания. В то же время желательно иметь как можно более высокую чувствительность резонансного детектора. Т. к. ширина Г резонанса ¹⁹⁷Au равна 0,14 эВ, то детектор с наибольшей чувствительностью может регистрировать нейтроны, рассеянные на ядрах дейтерия в диапазоне углов (58 0,9)^о, и нет смысла делать угловую ширину пропускания нейтронов коллиматором большей 1,8^о. Если промежутки между фольгами из золота равны, например, 20 мкм, то толщина всего коллиматора составит примерно 1 мм.
В процессе проведения анализа падающие на исследуемый образец моноэнергетические нейтроны пучка рассеиваются на ядрах, входящих в состав исследуемого образца. Рассеянные под углом (58 0,9)^о и потерявшие при этом энергию 3,13 эВ нейтроны проходят через коллиматор и поглощаются резонансным детектором. Распределение активности по поверхности резонансного детектора по направлению, являющемуся проекцией на плоскость детектора направления нейтронов пучка, соответствует профилю концентрации ядер дейтерия в исследуемом образце. Распределение активности может быть определено любым из известных методов, наприме, методом авторадиографии. При стандартных условиях анализа (плотность потока нейтронов 10⁸ нейтр. ) (см² с), площадь пучка направленных моноэнергетических нейтронов 1 см², расстояние от оси пучка нейтронов до детектора по пути пролета рассеянных нейтронов с энергией 4,9 эВ - 5 см; толщина объекта 4 см) и характерных для золота и палладия ядерно-физических характеристик фоновая активация, которая максимальна при нулевом расстоянии "объект-детектор", составит B_фон= 5.2 10² расп. /(cм² с). Для получения изображения методом авторадиографии необходима экспозиция фотоматериала -частицами резонансного детектора не менее 10⁷ расп. /см². В данном случае экспозиция фотоматериала должна быть не менее 2 10⁴ с. На этом фоновом изображении можно наблюдать минимальную величину почернения фотоматериала, обусловленную активацией резонансного детектора нейтронами, рассеянными на дейтерии, если разность плотностей почернений D = 0,02. Тогда, учитывая, что D = 0,43 _DB/B_фон, где _D - фотографическая контрастность фотоматериала, которая может быть равна 2, на фоновом почернении можно наблюдать B_мин= 8 расп. /(см² с). Из этого следует, что с помощью данного устройства может быть измерен профиль с минимальной концентрацией = 4 10^-4 ат/ат . (56) Валиев А. Н. , Скородумов Б. Г. , Хабибуллаев П. К. и др. - Атомная энергия, 1985, т. 58, вып. 1, с. 27-32.
Хабибуллаев П. К и Скородумов Б. Г. Ядерно-физические методы определения водорода в материалах. Ташкент: Фан, 1985, с. 96.
Изобретение относится к способам неразрушающего контроля и определения физических и химических свойств веществ с помощью излучений и может быть применено в материаловедении и геофизике. Целью изобретения является увеличение глубины анализируемой области при определении профиля концентрации легких ядер по глубине образца. Исследуемый образец облучают пучком направленных нейтронов, имеющих моноэнергетический спектр в эпитепловой области энергий, и рассеянные в пробе нейтроны регистрируют с помощью анализатора. Анализатор представляет собой резонансный детектор и коллиматор, выполненные из тонких слоев одного и того же вещества. Анализатор регистрирует только нейтроны, рассеянные на определяемых ядрах под заданным коллиматором углом и потерявшие в результате рассеяния энергию E=E_o-E_p , где E_o - энергия нейтронов источника, а E_p - резонансная энергия детектора. О профиле концентрации по глубине образца судят по распределению активности резонансного детектора вдоль направления, являющегося проекцией на плоскость детектора наплавления нейтронов источника. 2 ил.