У нас нейтроны
Ученые НИЯУ «МИФИ» и Росатома заставили «узника атомного ядра» определять химический состав веществ
«У вас нейтроны?!» Помните, как не на шутку (и, как оказалось, не зря) встревожилась за физика Гусева врач-радиолог из знаменитой киноленты «Девять дней одного года», услышав, что ученым вроде бы удалось получить искомый нейтронный пучок? Даром что нейтральная, эта частица, которую иногда поэтично называют узником атомного ядра, благодаря высокой проникающей способности может изрядно накуролесить, вырвавшись из своей «темницы». Особенно если начальная энергия у нее большая! Поэтому нейтронные источники уже давно служат человечеству в самых разных областях, например в неразрушающем объемном контроле.
Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» в кооперации с Росатомом реализовали остроумную концепцию, объединившую несколько разработок, уже существующих на практике в разных областях науки и техники. Аппаратура на ее основе определяет химический состав исследуемого образца при помощи тех самых «узников». Причем каждый из задействованных нейтронов участвует в опыте в буквальном смысле дважды, благодаря чему удается существенно повысить точность измерений.
В науке этот метод, поясняет инженер кафедры прикладной ядерной физики Олег Чакилев, называется нейтронно-радиационным. По сути, он анализирует сочетанный эффект различных физических процессов в теле мишени (в данном случае — в исследуемом образце), в результате которых высокоэнергетичный нейтрон вызывает два акта гамма-излучения. Первый раз — в момент неупругого рассеяния быстрых нейтронов (в разработке ученых НИЯУ «МИФИ» используются частицы с энергией 14 МэВ, их обычно получают при бомбардировке дейтонами тритийсодержащего вещества) на атомах мишени. Последние возбуждаются и испускают лучи, по спектру которых и можно определить элементный состав вещества.
«За несколько десятков микросекунд быстрые нейтроны замедляются до энергии тепловых. Они проживают порядка сотни микросекунд, и в течение этого промежутка времени их уже способны захватить ядра атомов мишени, этот процесс называется радиационным захватом, — говорит Олег Чакилев. — Переходя в возбужденное состояние, те, в свою очередь, испускают гамма-кванты еще раз, это называется вторичным излучением».
Дальше, собственно, дело привычной любому инженеру-ядерщику техники, которая скрупулезно переводит индивидуальный гамма-портрет «мистера икс» в картинку на экране осциллографа. В лабораторной установке МИФИ оба потока гамма-квантов (и от неупругого рассеяния, и вторичного излучения от радиационного захвата) регистрируются сцинтилляционным детектором на основе кристаллов бромида лантана. Возникающие здесь вспышки света при помощи фотокатода преобразуются в электроны. После прохождения через фотоэлектронный умножитель все они дают вклад в электрический импульс, величину которого уже можно измерять в каждом диапазоне относительно просто и очень точно. Для каждого элемента резонансные энергии гамма-спектра свои. Поэтому, сопоставляя энергетические пики электронов на выходе, можно определять соотношение элементов в веществе исследуемого образца.
Как у хорошей хозяйки, у которой ничего даром не пропадает, в устройстве «три в одном» одновременно трудятся нейтроны, гамма-кванты и электроны. В результате практически мгновенно неразрушающим методом получается поэлементная спектральная картина мишени. «Для лабораторных экспериментов мы использовали образцы нефтешламов (жидкой породы, самотеком выходящей на поверхность в точке бурения скважины) из отечественных нефтеносных месторождений и полученную от «Норильского никеля» никелевую руду. На практике от предоставления 300-граммового образца до получения конечного результата проходит не больше получаса, — продолжает Олег Чакилев. — Результаты наших измерений хорошо согласуются с полученными поверхностными методами по типу флуоресцентного анализа. Однако для неравномерно распределенных элементов наш способ точнее, поскольку анализирует вещество по всему объему».
Конечно, назвать открытием этот алгоритм неверно. Он уже реализован в геологоразведке и в добывающей отрасли, но исключительно в скважинной аппаратуре, которую опускают глубоко под землю. «Мы же сейчас работаем над проектом серийной измерительной установки в виде конвейерного анализатора, особенно удобной для определения химического состава целой серии образцов», — объясняет Олег Чакилев. Кроме того, прежде также были широко известны нейтронные анализаторы, получающие информацию лишь от одной разновидности гамма-излучения — или от неупругого рассеяния, или от радиационного захвата. Так, в российской промышленности сейчас внедряется прибор, регистрирующий только излучение неупругого рассеяния от довольно дорогого генератора на меченых нейтронах.
Наконец, есть зарубежные нейтронно-радиационные аналоги, работающие от изотопного источника. Но они облучают окружающее пространство постоянно. Мифисты же используют предоставленный московскими учеными из одного из научных институтов Росатома импульсный генератор 07 Т, и этот источник — еще одно из весомых преимуществ предложенной схемы. «Генератор выдает нейтронные импульсы в течение всего измерительного периода. Но в лабораторных условиях оператор управляет им из изолированного помещения пультовой, так что дополнительная дозовая нагрузка на персонал исключена, — утверждает Олег Чакилев. — В полевых условиях управлять измерительной установкой тоже можно удаленно. Выключили генератор — излучение пропало, собираете результаты и упаковываете образцы».
Разработка мифистов в кооперации с коллегами из Росатома инициативная, конкретных заказов под нее пока нет. Поскольку удовлетворительные результаты получены на горных породах, создатели видят применение анализатора в первую очередь в добывающей и нефтяной индустрии. Но вообще он определяет наличие любых примесей, в том числе легких элементов (водорода, бора, хлора) с большим сечением взаимодействия с тепловыми нейтронами. Поэтому пригодится и в металлургии, и в анализе биообразцов, да даже в определении состава археологических памятников и в проверке подлинности живописных полотен. Ведь нейтроны — они и у них, и у нас, и у вас. Важно только найти к ним верный подход и направить их энергию в нужное русло.
