Устройство для измерения формы гамма-резонанса долгоживущих ядерных изомеров

Изобретение относится к области ядерной техники, более конкретно к устройствам для измерения формы микроспектра гамма-излучения, испускаемого при распаде долгоживущих изомерных состояний ядер, таких как изомерное состояние ядра, 109Ag с энергией 88,03 кэВ и средним временем жизни 57 с. В устройстве для измерения формы гамма-резонанса долгоживущих ядерных изомеров пучки гамма-квантов от источника направлены в детекторы параллельно плоскости платформы. Источник помещен в криостат, выдерживается при обеспечивающей мессбауэровские условия температуре и выполнен в виде металлической пластинки из атомов, ядра которых имеют исследуемое изомерное состояние, с введенными в него атомами материнского нуклида. На платформе установлены криостат и детекторы. В зависимости от угла наклона пучков относительно горизонтальной плоскости измеряются интенсивности гамма-линий основного и вспомогательного нерезонансного гамма-источников. Наклон осуществляется путем поворота платформы. В каждой угловой позиции измерения могут быть проведены при естественном направлении магнитного поля Земли и при скомпенсированной дополнительным магнитным полем составляющей земного магнитного поля, перпендикулярной направлению регистрируемых гамма-пучков. Для компенсации поля Земли служит пара колец Гельмгольца, расположенная коаксиально криостату. Изобретение позволяет повысить разрешающую способность мессбауэровских спектрометров. 1 ил.

 

Изобретение относится к области ядерной техники, более конкретно к устройствам для измерения формы микроспектра гамма-излучения, испускаемого при распаде долгоживущих изомерных состояний ядер, таких как изомерное состояние ядра, 109Ag с энергией 88,03 кэВ и средним временем жизни 57 с.

Известны устройства, основанные на применении эффекта Мессбауэра, с помощью которых исследуется форма микроспектра излучаемой (и поглощаемой) без потери энергии на отдачу ядер компоненты гамма-линии (Г.Вертхейм. Эффект Мессбауэра. Изд. «Мир», Москва, 1966). В этих устройствах данная задача решается путем сдвига энергии гамма-лучей источника относительно положения линии поглощения резонансного поглотителя. В подавляющем большинстве случаев этот сдвиг осуществляется с помощью эффекта Допплера, проявляющегося при движении источника относительно поглотителя со скоростью ν; при этом сдвиг равен ΔEγ=Eγν/c, где Еγ - энергия гамма-квантов, с - скорость света.

Наиболее близким к заявляемому устройству является техническое решение, осуществленное в опытах с гамма-лучами 67Zn (W.Potzel, C.Schäfer, M.Steiner et al., Hyperfine Interactions, v.72, p.197 (1992)). Естественная ширина гамма-линии этого нуклида равна 4,76×10-11 эВ, а энергия гамма-квантов равна 93,31 кэВ. Недостатком этого устройства является ограничение его разрешающей способности величиной 0,96×10-10 эВ.

Целью предлагаемого технического решения является создание гамма-спектрометрического устройства с использованием в качестве гамма-источников долгоживущих ядерных изомеров со средними временами жизни в возбужденном состоянии порядка минуты и более, что дает принципиальную возможность повысить на 7-8 порядков величины разрешающую способность существующих мессбауэровских спектрометров, работающих с нуклидом 57Fe.

Изомерное состояние ядра 109Ag имеет естественную ширину, равную ~10-17 эВ. Гравитационное поле вблизи поверхности Земли смещает положение гамма-резонанса изомера 109Ag на его естественную ширину при разнице вертикальных положении излучающего и поглощающего ядер в ~10-4 см. Магнитное поле Земли расщепляет гамма-линию 109mAg на 14 компонент, промежутки между которыми превосходят естественную ширину гамма-линии в ~106 раз. В металлическом серебре при температуре жидкого гелия (4,2 К) вероятность излучения (поглощения) гамма-кванта с энергией 88,03 кэВ без потери энергии на отдачу ядра составляет 0,0535, что позволяет вести с этими гамма-лучами мессбауэровские опыты, но не по стандартной методике создания допплеровского сдвига энергии линии испускания относительно положения линии поглощения, т.к. в этом случае потребовалась бы технически недоступная скорость источника относительно поглотителя, равная ~10-12 см/сек.

Многочисленные опыты последних лет, в том числе и выполненные нашей группой, показывают, что мессбауэровская гамма-линия изомера 109mAg если и уширена, то весьма незначительно - не более нескольких десятков раз. Это позволяет использовать гравитацию для измерения формы гамма-резонанса этого изомера.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом устройстве гамма-источник, представляющий собой пластинку высокочистого серебра с внедренными в нее термодиффузией атомами материнского нуклида l09Cd, помещен в криостат и охлажден до температуры жидкого гелия (4,2 К). Криостат находится на платформе, которая может поворачиваться вокруг горизонтальной оси в обе стороны на угол до 30 градусов относительно горизонтальной плоскости. Пучки гамма-квантов, испускаемых источником в противоположных направлениях параллельно плоскости платформы, регистрируются находящимися на платформе двумя германиевыми детекторами. Резонансное поглощение гамма-квантов происходит непосредственно в веществе источника, толщина которого составляет 0,5-1,0 мм. Оно максимально, когда регистрируемые пучки гамма-квантов горизонтальны. При наклоне платформы пучки отклоняются от горизонтали и это приводит к уменьшению вероятности резонансного поглощения гамма-квантов вследствие гравитационного сдвига гамма-резонанса, т.к. точки испускания и возможного поглощения гамма-квантов оказываются на разной высоте. С увеличением угла наклона растет ослабление резонансного поглощения гамма-квантов. Расчеты, проделанные для гамма-источника толщиной 1 мм, в который введен 109Cd с обеих сторон, причем средняя глубина внедрения кадмия равна 0,15 мм с каждой стороны, показывают, что угол отклонения гамма-пучка от горизонтали, соответствующий уменьшению резонансного поглощения вдвое, α1/2, определяется простой формулой:

α1/2=0,197k,

где k - фактор уширения мессбауэровской гамма-линии, а угол выражен в градусах.

Измерения зависимостей чисел отсчетов детекторов от угла наклона платформы позволяет получить данные о профиле гамма-резонанса, чем и достигается поставленная цель. Для повышения уровня достоверности полученных данных устройство снабжается следующими дополнительными деталями.

1. С обеих сторон серебряной пластинки устанавливаются вплотную к ней тонкие контрольные гамма-источники из 241Аm, излучающие гамма-лучи с энергией 59,54 кэВ. Поворот платформы не должен сказываться на регистрируемой интенсивности этих гамма-лучей.

2. Коаксиально криостату устанавливается пара колец Гельмгольца, включение тока через которые позволяет скомпенсировать в области расположения гамма-источников компоненту магнитного поля Земли, перпендикулярную регистрируемым гамма-пучкам. Это приводит к увеличению вероятности резонансного поглощения гамма-лучей в 2,5 раза. Периодическое включение и выключение колец Гельмгольца вызовет синхронное изменение регистрируемой интенсивности гамма-лучей серебра (но не америция), соответствующее изменению на 60% сечения резонансного поглощения.

Схема устройства показана на прилагаемом чертеже, где 1 - криостат, 2 - германиевые γ - детекторы, 3 - поворачивающаяся платформа, 4 - ось вращения платформы, 5 - кольца Гельмгольца, 6 - гамма-источники, 7 - опора криостата и колец Гельмгольца.

Устройство для измерения формы гамма-резонанса долгоживущих ядерных изомеров, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности гамма-спектрометрии, пучки гамма-квантов от помещенного в криостат и выдерживаемого при обеспечивающей мессбауэровские условия температуре источника в виде металлической пластинки из атомов, ядра которых имеют исследуемое изомерное состояние, с введенными в него атомами материнского нуклида, направлены в детекторы параллельно плоскости платформы, на которой установлены криостат и детектора, и в зависимости от угла наклона пучков относительно горизонтальной плоскости, осуществляемого путем поворота платформы, измеряются интенсивности гамма-линий основного и вспомогательного нерезонансного гамма-источников, причем в каждой угловой позиции измерения могут быть проведены при естественном направлении магнитного поля Земли и при скомпенсированной дополнительным магнитным полем составляющей земного магнитного поля перпендикулярной направлению регистрируемых гамма-пучков, для чего служит пара колец Гельмгольца, расположенная коаксиально криостату.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для лучевой терапии поверхностно расположенных злокачественных новообразований кожи и слизистых оболочек.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к рентгенотомографии. .

Изобретение относится к области измерения плотности изделий с использованием гамма-излучения. .

Изобретение относится к средствам анализа материалов радиационными методами, а более конкретно к погружным гамма-абсорбционным датчикам, предназначенным для определения концентрации тяжелых элементов в жидкости, и может быть использовано при дистанционном аналитическом контроле процесса переработки отработавшего ядерного топлива, который осуществляется в присутствии гамма-излучения контролируемой среды.

Изобретение относится к технике контроля содержания в газах пыли, а именно к устройствам измерения концентрации аэрозоля, и может быть использовано службами охраны труда в промышленности и экологического мониторинга атмосферы.

Изобретение относится к области радиационного контроля и может быть использовано для досмотра жидких объектов

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры или анализу объектов радиационными методами, а именно посредством многоэнергетической радиографии, и может быть использовано, например, для досмотра незаконно транспортируемых грузов или неразрушающего контроля материалов при определении их внутренней структуры и химического состава

Использование: для определения компонентного состава потока многофазной жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости содержит источник рентгеновского излучения и детектор, установленные по разные стороны трубы, по которой протекает поток многофазной жидкости, датчик для измерения давления, подключенный к трубе, датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского луча, источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр закреплены на одной оси, перпендикулярной оси симметрии трубы так, чтобы излучение от источника рентгеновского излучения к волнодисперсионному спектрометру проходило через окна, врезанные в трубу, причем в корпусе волнодисперсионного спектрометра расположен кристаллический монохроматор-анализатор, установленный под углом к лучу от источника рентгеновского излучения так, чтобы выполнялось условие Брэгга для линии излучения из спектра источника рентгеновского излучения, за кристаллическим монохроматором-анализатором по направлению распространения дифрагированного луча установлен сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, а датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения установлен за кристаллическим монохроматором-анализатором на одной оси с источником рентгеновского излучения. Технический результат: повышение точности и скорости анализа компонентного состава потока многофазной жидкости. 2 ил.
Наверх