Модернизация кристалл-дифракционного фокусирующего гамма-спектрометра ГСК-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.2

ГЛАВА 1. Модернизация кристалл-дифракционного у-спектрометра ГСК-2 .6

§1. Принципиальная схема у-спектрометра .б

§2. Схема кристалл-дифракционного у-спектрометра

ГСК-2М.9

§3 Повышение разрешающей способности.12

3.1. Предельное разрешение фокусирующего кристалл-дифракционного у-спектрометра. . 12

3.1.1. Идеальный кристалл.12

3.1.2. Мозаичный кристалл.15

3.1.3.Упругая квазимозаичность .17

3.2. Об искажении формы и деформационного состояния пластины и способе его устранения .20

3.3. О влиянии неточности выреза и установки пластины в кристаллодержателе . .25

3.4. Конструкция изгибающего устройства.27

3.5. Экспериментальные результаты.30

Проблема исследования спектров возбужденных состояний атомных ядер тесно связана с фундаментальной для ядерной физики проблемой взаимодействия нуклонов в ядре. Для выбора модели теоретического описания свойств ядер необходимы надежные модельно независимые схемы ядерных уровней. Одним из наиболее важных источников информации, необходимой для этой цели, является прецизионная ядерная спектроскопия. По разрешающей способности и точности определения энергий значительно выделяются кристалл-дифракционные гамма-спектрометры. В настоящее время, после мессбауэровских спектрометров, применимых вблизи ограниченного числа так называемых мессбауэровских переходов, они являются наиболее прецизионными. Поэтому гамма-спектроскопия с помощью фокусирующих дифракционных спектрометров стала одним из основных методов изучения сложных ядерных спектров. К ее достоинствам относится следующее:

1. анализируется непосредственно у-излучение, а не вторичные частицы, что имеет место в широко распространенных косвенных методах (магнитных, полупроводниковых и парных спектрометрах);

2. форма линий симметричная, отсутствуют растянутые "хвосты", связанные с торможением вторичных частиц, что облегчает интерпретацию спектров;

3. разрешающая способность высокая, особенно в области малых энергий;

4. на кристалл-дифракционных спектрометрах достигнута наибольшая точность измерения энергии у-излучения.

Основным препятствием к широкому использованию спектрометров с фокусировкой на изогнутом кристалле долгое время была их малая светосила. Для исследований требуются источники с высокой удельной активностью. С постройкой мощных высокопоточных реакторов эта проблема была решена.

В 1961 г. О.И.Сумбаевым и А.И.Смирновым [1-3] был создан кристалл-дифракционный у-спектрометр по Кошуа ГСК-2, предназначенный для исследования сложных спектров у-лучей, сопровождающих захват тепловых нейтронов ядрами атомов мишени, в диапазоне энергий 40 - 1000 кэВ.

Спектрометр ГСК-2 заработал вскоре после пуска реактора ВВР-М в Гатчине, и результаты первых измерений у-спектров из (п,уJ-реакции были опубликованы в работах [4-5].

Создание нескольких ядерно-спектроскопических установок на реакторе ВВР-М (установка для измерения мгновенных и задержанных у-у-совпадений, магнитный бета-спектрометр, Ge(Li)-детекторы) позволило провести в 1970-1982 годах комплексное исследование возбужденных состояний нечетно-нечетных ядер в области Z, N=504-82. С привлечением данных, полученных в результате совместных исследований на у-спектрометрах Института Лауэ-Данжевена в Гренобле, на ускорителях Института Макса

Планка в Гейдельберге и Технического Университета Мюнхена в Гархинге, были построены достоверные схемы нижних возбужденных состояний (до 1МэВ) ядер 116In, 122Sb, 128I, 134Cs и 142Рг [6-11]. Главная особенность этих схем состоит в том, что почти все уровни, возбуждаемые в (п,у)-реакции, видны и в реакциях однонуклонной передачи, что позволяет интерпретировать эти уровни как члены р-л-мультиплетов, построенных на низколежащих одночас-тичных протонных и нейтронных состояниях. Схемы уровней разделяются на схемы уровней положительной и отрицательной четности, связанных малым числом Е1-переходов. Расчет расщепления мультиплетов остаточным взаимодействием, взятым в виде комбинаций вигнеровских, синглетных и тензорных сил, приводит к согласию с экспериментом в пределах 30-4 0 кэВ и позволяет сделать вывод о приблизительном постоянстве параметров взаимодействия вигнеровских и синглетных сил для различных ядер.

В последующие годы проведено существенное усовершенствование спектрометра: модернизированы основные узлы (изгибающее устройство, узел поворота оси кристалла, приемная щель детектора); выбран специальный вырез кристалла, для которого отсутствует упругая квазимозаич-ность и другие типы деформации, приводящие к отклонению равновесной формы изгибаемой пластины от цилиндрической; улучшена методика юстировки кристалла; для повышения точности относительных измерений углов дифракции (энергий) спектрометр оснащен уникальным интерферометром на высокочастотных голографических решетках [12]. На спектрометре ГСК-2М получено (1980 г.) рекордное для фокусирующих у-спектрометров угловое разрешение ^1" от всей апертуры и 0,63" от ограниченной [13] . Дальнейшее совершенствование узла приемной щели, методов контроля установки кристалла в изгибающем устройстве и методики юстировки кристалла позволило довести приборную ширину у-линии при полной апертуре кристалла (40x30 мм2) до 0,34" и до 0,2" при ее ограничении (11x5 мм2) [14].

Возможность измерять на спектрометре у-лучи одновременно в пяти порядках отражения существенно повышает достоверность получаемых результатов.

В результате модернизации создан кристалл-дифракционный у-спектрометр сверхвысокого разрешения, на котором впервые в мире удалось провести прямые измерения у-спектра активной зоны атомного реактора в диапазоне энергий 95-250 кэВ. В гамма-спектре активной зоны реактора присутствуют у-линии нескольких сотен нуклидов, образующихся в процессе деления урана под действием нейтронов цепной реакции. Спектр этот чрезвычайно сложный, поэтому информация о у-переходах в конкретных нейтронноизбыточных ядрах долгое время извлекалась селективным путем. Создавались громоздкие масс-спектрометрические установки, позволяющие выделить микроколичества осколочной активности в узком диапазоне масс с последующим измерением на сцинтилля-ционном или полупроводниковом детекторе у-излучения. Разрешающая способность и точность определения энергии у-лучей при этом, как правило," невелика. К тому же, некоторые короткоживущие изотопы, распадаются на пути к детектору и не могут быть исследованы этим методом.

Основные результаты работы.

1. Разработана методика минимизации апертурных аберраций при дифракции у-излучения на изогнутом кристалле кварца, которая позволяет приблизить разрешение фокусирующих кристалл-дифракционных спектрометров к пределу, определяемому естественной мозаичностью кристалла кварца.

2. Показано, что величина мозаики кристалла кварца - параметр, характеризующий предельное угловое разрешение кристалл-дифракционных приборов, может составлять величину т.е. быть, по крайней мере, в 10 раз меньше ранее принимавшегося для кварца предела.

3. В 20 раз улучшено разрешение дифракционного фокусирующего гамма-спектрометра ГСК-2М. В диапазоне энергий 95-250 кэВ приборная ширина у-линии при полной апертуре кристалла (40x30 мм2) составляет 0,34" и 0,20" при ограниченной апертуре (11x5 мм2) . Это разрешение является рекордным для фокусирующих у-спектрометров. Одновременно в такой же степени увеличилось отношение эффекта к дифракционному фону за счет уменьшения оптимальной ширины приемной щели детектора.

4. Для отсчета углов дифракции впервые в мировой практике реализована интерферометрическая схема на базе высокочастотных голографических дифракционных решеток с очень малой длиной оптического пути (0,05-0,1 мм), обеспечившая высокую надежность и точность измерения углов (Де*0,01").

5. Впервые проведены прямые измерения у-спектра активной зоны реактора в диапазоне энергии 95-250 кэВ. Эксперимент выполнен с рекордным разрешением (ЛЕ7/Ет до 5-Ю"5) .

6. Создан комплекс программ для набора данных и обработки дифракционных спектров одновременно в нескольких порядках отражения. На их основе проведены измерение и обработка спектров.

7. По измерениям естественной ширины и энергии в у-спектре активной зоны реактора проведена идентификация рентгеновских линий урана KpxU и Kp3U, считавшихся ранее у-линиями осколков деления. Впервые измерены естественные ширины основных рентгеновских линий К-серии излучения урана.

8. Из прямых наблюдений у-спектра активной зоны получена новая информация об энергиях и интенсивностях у-линий осколков деления урана. Большинство измеренных пиков идентифицированы по нуклидам деления.

9. Показано, что прямые измерения у-спектра активной зоны реактора (или электроядерной установки) могут быть использованы для контроля как элементного и изотопного состава ядерного топлива, так и процесса выжигания долгоживущих радиоактивных отходов при ядерной трансмутации.

Содержание диссертации отражено в публикациях [12,13,14,33,34,35,36,51] и неоднократно докладывалось на международных совещаниях по физике атомного ядра.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность профессору О.И. Сумбаеву, научным руководителям B.JI. Алексееву и В. В. Федорову за поддержку, полезные обсуждения и ценные замечания в ходе выполнения данной работы. Автор благодарен Е.Г. Андрееву, . Р.П. Дмитриеву, С.Н. Коваленко, Л.П. Кабиной, Н.Г. Колывановой, Л.И. Молканову, В.М. Самсо-нову, Б.Г. Турухано, Н. Турухано, В.А. Тюкавину,

B.Н. Якутовичу, принимавшим участие в работе на ее различных этапах, а также персоналу реактора ВВР-М, способствовавшему успешному выполнению экспериментальной части работы.

Особо следует отметить большой вклад в повышение разрешающей способности спектрометра трагически погибшего Е.К. Леушкина, с которым автора связывала многолетняя совместная работа.

Автор выражает признательность В. В. Воронину и Е.Г. Лапину за полезное обсуждение и ценные замечания, сделанные ими при чтении рукописи. Автор благодарен

C.Ю. Семенихину за большую помощь в оформлении данной диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Sumbaev О., Smirnov A., 4-meter Cauchois spectrometer for neutron-capture у-radiation research.// Nucl. 1.str. and Meth. 1963. V.22. P.125-137.

2. Smirnov A.I., Shaburov V.A., Alexeev V.L., Kaminker D.M., Rylnikov A.S. and Sumbaev 0.1., A device for precise measurements of radiation energy from the (n,y) reaction.//Nucl. Instr. and Meth. 1968. V.60. P.103-108.

3. Смирнов А.И. , Кристалл-дифракционный спектрометр для исследования у-излучения, сопровождающего захват тепловых нейтронов, и изучение возбужденных состояний нечетно-нечетных ядер 104Rh и 60Со. / Кандидатская диссертация, ФТИ АН СССР, Ленинград. 1969.

4. Сумбаев О.И., Алексеев В.Л., Каминкер Д.М., Смирнов А.И.' и Шабуров В.А., Исследование возбужденных состояний Rh104' 104* по у-излучению из (пу)-реакции // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1965. Т. 29. № 5. С.739-759.

5. Смирнов А.И., Шабуров В.А., Алексеев В.Л., Каминкер Д.М. и Рыльников А.С., Исследование у-излучения из реакции 59Со (п,у) б0Со на. кристалл-дифракционном спектрометре. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1969. Т. 33. № 8. С.1270-1274.

6. Alexeev V.L., Emelianov B.A., Kaminker D.M., Khazov Yu.L., Kondurov I.A., Loginov Yu.E., Rumiantsev V.L., Sakharov S.L., Smirnov A.I., The properties of 116In excited states. // Nucl. Phys.1976, V. A262. P.19-51.

7. Алексеев В.JI., Егоров А.И., Кабина Л.П., Кондуров И. А., Леушкин Е.К., Логинов Ю.Е., Мартынов В. В., Румянцев В.Л., Сахаров С.Л. и Хазов Ю.Л., Уровни ядра 1281 // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1982. Т 46. №1. С. 52-56.

8. Алексеев В.Л., Леушкин Е.К., Румянцев В.Л., Самсонов В.М., Повышение разрешающей способности фокусирующего кристалл-дифракционного гамма-спектрометра. Препринт ЛИЯФ-621, Ленинград, 1980. 19 с.

9. Дю-Монд Дж. У. M., Кристалл-дифракционная спектроскопия ядерного у-излучения. // в сб. "Бета- и гамма-спектроскопия" под ред. Зигбана К., ФМЛ, М., 1959. С. 107-133.

10. Сумбаев О.И., Кристалл-дифракционные спектрометры. Госатомиздат, М., 1963. 110 с.

11. Knowles J.W., Crystal diffraction spectrometers// Nucl. Instr. and Meth. 1979. V. 162. P. 677-698.

12. Cauchois Y., Spectrographie des rayons x transmission d'un faisceau noncanalise travers un cristal courbe (I), // J. Phys. Rad. 1932. V. 3. P. 320-336.

13. Сумбаев О.И., Экспериментальное исследование эффекта упругой квазимозаичности // ЖЭТФ. 1968. Т. 54. С. 1352-1360.

14. Gruber U., y-Strahlung beim Einfang thermischen Neutronen in Rhodium. // Z. Physik. 1964. V.178. P.472-487.

15. Алексеев В.JI., Дифракция на изогнутом кристалле (к расчету фокусирующих у-спектрометров). Препринт ФТИ-86, Л., 1968. 13 С.

16. Сумбаев О.И., К теории фокусирующих кристалл-дифракционных спектрометров. (Выбор системы отражающих плоскостей изогнутого кристалла). // Известия АН СССР. Серия физ. 1959. Т. 23. №7. С. 880-882. '

17. Самсонов В.М., Изгиб пластины в фокусирующих кристалл-дифракционных рентгеновских и гамма-спектрометрах. Препринт ЛИЯФ-278, Л. 1976. 40 с.

18. Алексеев В.Л., Исследование нечетно-нечетных ядер из (п,у)реакции на кристалл-дифракционном спектрометре. Кандидатская диссертация, ЛИЯФ АН СССР, Ленинград, 1977.

19. Сандстрём А.Э., Приборы с прохождением лучей через изогнутый кристалл. // в сб. Рентгеновские лучи, Ред М.А. Блохин. ИЛ., М., 1960. С. 142-149.

20. Beer W., Kern J., Piller О., Biegevorrichtungen fiir f okussierende Kristallspektrometer // Nucl. Instr. and Meth. 1973. V. 107. P. 79-83.

21. Боровский И.Б., Новый метод изгиба кристалла для рентгеноспектральных исследований на спектрографах с изогнутым кристаллом. // Докл. АН СССР. 1950. Т. 72. С. 485-487.

22. Гильварг А.Б., Применение чистого изгиба кристаллических пластин в кристаллодержателях для фокусирующих рентгеновских спектрографов. // Докл. АН СССР. 1950.Т. 72. С. 489-491.

23. Полкова А.З., Кандидатская диссертация, Филиал ВНИИМ, Свердловск, 1968.

24. Алексеев B.JI., Румянцев В.Л., Измерение у-спектра активной зоны реактора с высоким (до 0,005%) разрешением. // Изв. РАН. Сер. физ. 1998. Т. 62. № 11. С.2100-2105.

25. Алексеев В.Л., Румянцев В.Л., Наблюдение линий у-спектра в области аннигиляционного пика // Тезисы докладов XLVII совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. 1997. С-Петербург. С. 327.

26. Алексеев В.Л., Кабина Л.П., Румянцев В.Л., Энергетическая калибровка кристалл-дифракционного у-спектрометрд. Препринт ЛИЯФ-945, Ленинград. 1984. 12 с.

27. Borchert G.L., Precise Energies of K-Rontgen-Lines of Tm, Th, U, and Pu. // Z. Naturf. 1976. V. 31a.1. P. 102-104.

28. Borner H.G., Davidson W.F., Almeida J., Blachot J., Pinston J.A., Van Assche P.H.M., High precision gamma-ray energy measurements of fission products. // Nucl. Instr. and Methods. 1979. V. 164. P. 579-586.

29. Larsen J.Т., Talbert W.L., McConnell J.R., Gamma-Ray Studies of the Decays of Xe142, Cs142, Ba142, and La142 // Phys. Rev. C. 1971. V.3. № 3. P.1372-1382.

30. J.Rohlin, An interferometer for Precision Angle Measurements // Appl. Opt., 1963. V.2. P.762-763.

31. Marzolf J.G., Angle Measuring Interferometer // Rev. Sci. Instr. 1964. V.35. P. 1212-1215.

32. Rohlin J., Some aspects on' an angle measuring interferometer using cube corner prisms. // Ark. Fysik, 1967. V.33. P.25-36.

33. Turukhano B.G., Gorelik V.P.r Turukhano N., Gor-deev S.V. Patent UK 2195784 filed 07.10.86.

34. Deslattes R.D., High Resolution y-Ray Spectroscopy: the First 85 Years. // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 2000. V. 105. P. 1-9.

35. Firestone R.B. Table of Isotopes. Ed. Shirley V.S., N.Y.: A Wiley-Interscience Publ. 1996. V 1. A=l-150 . 8th ed.

36. Zachariasen W.H., Theory of X-Ray Diffraction in Crystals. J.Willy and Sons, N.Y.,1945. 255 p.

37. Laue M., Rontgenstrahlinterferenzen. Изд. 3. Frankfurt/M. 1960. 468 p.

38. Пинскер З.Г., Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в идеальных кристаллах. Наука. М. 1974. 367 с.

39. Alexeev V.L., Fedorov V.V., Rumiantsev V.L., Use of the crystal diffraction method to study the transmutation of long-lived nuclides. Препринт ПИ-ЯФ-2381. Гатчина. 2000. 8 с.

40. Гусев Н.Г. и др. Радиационные характеристики продуктов деления. Справочник, 1974 М., Атомиздат. 224 с.

41. Moll Е., Schrader Н., Siegert G., Aschar М., Вос-quet J.P., Baileul G., Gautheron J.P., Greif J., Crawford G.I., and Chauvin C., Analysis of 236u-Fission products by the recoil separator "LOHENGRIN". // Nucl. Instr, and Meth. 1975. V. 123. P. 615-617.

42. Wiinsch K.D., An on-line mass-separator for Thermi-cally fission products: OSTIS. // Nucl. Instr. and Meth. 1978. V. 155. P. 347-351.

43. Lawin H., Eidens J., Borgs J.W., Fabbri R., Gruter J.W., Joswig G., Khan T.A., Lauppe W.D., Sadler G., Selic H.A., Shaanan M., Sistemich K., The Jii

44. Jiilich on-line separator for fission products "JOSEF". // Nucl. Instr. and Meth. 1976. V. 137. P. 103-117.

45. Talbert W.L., Jr., and Thomas D., Design consideration for a system to investigate short-lived nuclei produced at a reactor. // Nucl. Instr. and Meth. 1965. V. 38. P. 306-311.

46. Nucl. Data Sheets, 1995. V. 74. P. 301.

47. Blachot J., Fiche Ch., Gamma-ray and half-life data for the fission production.// At. data Nucl. Data Tables, 1977. V.20, P. 241-310.

48. Erdtmann G., Soyka W., The Gamma-Rays of the Radionuclides: Tables for applied gamma ray spectrometry. 1979. Weinhaim, New York: Verlag Chemie. 862 p.

49. Рыльников А.С., Эффект сверхтонкого уширения рентгеновских линий. Кандидатская диссертация, ЛИЯФ АН СССР, Ленинград. 1975.