Моноэнергетический источник нейтронов

МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ, содержащий радиоактивные изотопы сурьмы, заключенные в оболочку из бериллия, отличающийся тем, что, с целью увеличения моноэнергетичности источника и управления соотношением нейтронного и фотонного излучения, система сурьма-бериллий окружена слоем железа, толщина которого определяется из соотношения
x = ;,
k=I_н / I_ф ,
k_o=I_нo / I_фо ,
I_но = k_н A P ,
I_фо = K A ,
где x - толщина слоя железа;
I_но, I_фо, I_н, I_ф - интенсивности нейтронного и фотонного излучения на входе и выходе из слоя железа;
_н , _ф - полные макроскопические сечения взаимодействия нейтронов и фотонов с железом;
A - активность сурьмы;
P - вес бериллия, зависящий от толщины слоя бериллия;
K - выход фотонов при радиоактивном распаде сурьмы;
K_н - выход нейтронов при взаимодействии фотонов с бериллием.

Изобретение относится к устройствам для генерации ионизирующего излучения, обладающего совокупностью определенных свойств, например моноэнергетичностью, высокой интенсивностью, низким фоном сопутствующих излучений.
Известен фотонейтронный источник на системе сурьма-бериллий (Sb-Be) для получения тепловых нейтронов. Источник помещался внутрь водяного замедлителя и позволял получать плотность потока тепловых нейтронов Ф 10⁶-10⁷ нейтр/см²с. Устройство окружалось свинцовой защитой 25 см, при этом на расстоянии 1 м от устройства плотность потока фотонов составляла Ф_ф 5 -10⁸ фотон/см²с.
Недостатком устройства является то, что спектр нейтронов лежит в интервале 0,00253 эв - 23 кэв, т.е. нет моноэнергетичности, а также высокий фон фотонов Ф_ф/Ф_н 10².
Известен источник нейтронов для получения квазимоноэнергетических нейтронов с энергией Е_м = 24,3 кэв. Устройство содержит реактор ВВР-М, из которого выводится пучок нейтронов. Для выделения линии 24,3 кэв используется фильтр из слоев железа - 25 см, алюминия - 35 см, серы - 6,5 см. Интенсивность нейтронов за фильтром I_н 10⁷ нейтр/с.
Недостатком устройства является отсутствие монохроматичности, так как на фильтр падает непрерывный спектр нейтронов и необходимо подавлять нейтроны, проходящие через другие минимумы в сечении взаимодействия желза с помощью алюминия. Однако и в этом случае на выходе из фильтра в спектре нейтронов кроме линии 24,3 кэв присутствуют линии 72 кэв, 135 кэв, 279 кэв. Кроме того, присутствует жесткое фотонное излучение реакторного спектра.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является источник нейтронов с энергией Е_н = 24 2,2 кэв на системе сурьма - бериллий. Устройство содержит цилиндр из сурьмы, который окружен бериллиевым кожухом, поэтому имеется возможность включать и выключать источник, снимая кожух. Источник позволяет получить интенсивность нейтронов I_н -10⁷ нейтр/с на 1 кюри активности сурьмы. Интенсивность фотонов I_ф 2 10¹⁰ фотон/с.
Недостатком известного устройства является уменьшение его моноэнергетичности, так как вследствие замедления на бериллии нейтроны теряют в среднем 18% энергии, а также существует разброс по энергии в зависимости от угла вылета фотонейтронов относительно направления фотонов, взаимодействующих с бериллием. Кроме того, устройство имеет высокий фон фотонов, так как I_ф/I_н 2 10³.
Цель изобретения - устранение указанных недостатков, а именно увеличение моноэнергетичности и управление соотношением нейтронного и фотонного излучения источника.
Указанная цель достигается тем, что в моноэнергетическом источнике нейтронов, включающем сурьму, окруженную слоем бериллия, система сурьма-бериллий окружена слоем, при этом изменяют толщину слоя бериллия и железа, а толщину определяют из расчетных соотношений.
На фиг. 1 представлен моноэнергетический источник нейтронов; на фиг. 2, 3 - сечение взаимодействия нейтронов с железом (Fe) - естественная смесь изотопов и бериллием (Ве); на фиг. 4 - то же, с изотопом железа (Fe⁵⁶).
Устройство содержит источник фотонов - сурьму 1 в форме цилиндра, источник фотонейтронов - бериллий 2 в форме цилиндрической трубы, фильтр нейтронов - железо 3 в форме стакана, в который помещают систему сурьма 1 - бериллий 2 и закрывают пробкой 4 из железа 3.
Источник фотонов - сурьма 1 представляет собой смесь радиоактивных изотопов сурьмы Sb¹²² и Sb¹²⁴. Изотоп Sb¹²² имеет период полураспада 2,74 дн, Sb¹²⁴ - 60,3 дн. Изотоп Sb¹²⁴ за счет 50% -распадов переходит в возбужденное состояние теллура Те¹²⁴, излучающего при переходе в стабильное состояние фотоны с линейным спектром Е₁ = 0,603 Мэв (98,2%), Е₂ = 0,723 Мэв (11,1%), Е₃ = 1,691 Мэв (48,3%), Е₄ = =2,091 Мэв (5,7%). Спектр фотонов при распаде Sb¹²²: Е₅ = 0,564 Мэв (73%), Е₆ = 0,693 Мэв (3,6%).
Фотоны с энергией Е₃ = 1,691 Мэв и Е₄ = 2,091 Мэв, взаимодействуя с бериллием 2, вызывают фотонейтронную реакцию, порог которой Е = 1,665 Мэв. При этой реакции образуются нейтроны с энергией Е₁ = 23,1 1,3 кэв, Е₂ = 378 6,6 кэв и соотношением интенсивностей I₁/I₂ 8,5, которые фильтруются железом 3 с помощью интерференционного минимума при Е = =24,6 2 кэв в сечении взаимодействия нейтронов, а также резонансной областью ниже 400 кэв, так что на выходе остается линия Е 24 кэв. Одновременно железо 3 ослабляет фотонное излучение линейчатого спектра. Пробка 4 закрывает систему сурьмы 1 - бериллий 2 в стакане из железа 3. Форма пробки 4 позволяет избежать прострела излучения вдоль пробки.
Управление соотношением нейтронного и фотонного излучения осуществляют толщиной слоя бериллия 2 и слоя железа 3 при заданной активности сурьмы 1. Действительно, в модели "узкой" геометрии
I_н= I_ноl ;;
I_ф= I_фоl ; , где I_но, I_фо, I_н, I_ф - интенсивность нейтронного и фотонного излучения на входе и выходе из слоя железа, ₁, ₂ - полное макроскопическое сечение взаимодействия нейтронов фотонов с железом, Х₁ - толщина слоя железа, тогда
X₁= ;; (1)
К = I_н/I_ф, К_о = I_но/I_фо, (2) причем
I_фо = K А, I_но = К_н А Р , (3) где А - активность сурьмы, Р - вес бериллия, K - выход фотонов при радиоактивном распаде сурьмы, равный 0,5 фотон/распад, К_н - выход нейтронов при взаимодействии фотонов с бериллием, равный 1,9 10⁵нейтр/с кюри г. В цилиндрической геометрии вес бериллия Р можно представить в виде
Р = НХ₂(2R₁ + X₂); (4)
R₁= , (5) где , ₁ - плотность бериллия и сурьмы, Н, Х₂ - высота и толщина цилиндрического слоя бериллия, R₁ - радиус цилиндра из сурьмы, А, К_А - активность и удельная активность сурьмы, равная 1,75 кюри/г. Таким образом из (1)-(5) следует, что, изменяя Х₁, Х₂, можно управлять I_но и К при заданной активности А сурьмы.
За базовый объект сравнения целесообразно принять устройство, выбранное в качестве прототипа. Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с базовым заключается в высокой моноэнергетичности нейтронного излучения, регулировании интенсивностью и соотношением нейтронного и фотонного излучения.
Сущность изобретения: нейтронный источник, представляющий собой радиоактивную сурьму, заключенную в оболочку из бериллия, размещают в слое железа. Для повышения моноэнергетичности источника и получения возможности управления отношением интенсивностей нейтронного и фотонного излучения толщину слоя железа x выбирают из условия x = (ln k/k_o)/( _н - _ф), k = I_н/I_ф, , где - интенсивности нейтронного и фотонного излучения на входе в слой железа и на выходе из него, _н, _ф - полные макроскопические сечения взаимодействия нейтронов и фотонов с железом, A - активность сурьмы, P - вес бериллия, зависящий от толщины слоя бериллия, K - выход фотонов при радиоактивном распаде сурьмы, K_н - выход нейтронов при взаимодействии фотонов с бериллием. 4 ил.