Сегодня водили восьми- и десятиклассников на экскурсию в МИФИ. Было круто. Началось всё с лабораторий, занимавшихся элементным анализом возбуждённых ядер.
читать дальшеНачать объяснять, наверное, стоит с того, что протоны и нейтроны в ядре точно так же, как электроны в атоме, не могут иметь какую попало энергию, а способны занимать только дискретные энергетические уровни со вполне определёнными значениями энергии, для каждого элемента – своими. Точно так же они способны получать энергию извне, переходя на более высокий уровень, и «падать» обратно, излучая избыток энергии в виде гамма-кванта. При этом, поскольку энергии доступных уровней у каждого ядра свои, то разницы между ними, соответствующие излишкам, улетающим в виде гамма-квантов, тоже для каждого ядра свои. А значит, спектр возбуждённых ядер позволяет вполне однозначно определить элемент, который их испустил.
Технически это выглядит следующим образом. У нас есть источник нейтронов и гамма-детектор. Источник кидается нейтронами в изучаемый образец, возбуждая его ядра. Детектор регистрирует спектр излучения образца в гамма-диапазоне, и этот спектр потом программно пересчитывается в процентное содержание элементов в образце. Например, зонд для каротажа скважин, чьё название пошло от французского carotte – морковь, на которую этот зонд немного похож (особенно если ты голодный геолог, и для тебя всё похоже на еду), представляет собой длинную металлическую трубу с конусообразным наконечником, а внутри этой трубы как раз находятся источник нейтронов и гамма-детектор. Когда зонд засовывают в скважину, полученный спектр позволяет получить данные об элементном составе окружающих пород и определить месторождения чего-нибудь интересного. Этот процесс – когда мы разведали потенциальное месторождение менее затратным и менее точным способом, а теперь бурим дырки и выясняем, а действительно ли у нас тут под землёй есть что-то хорошее – и называется каротажем.
Ещё одно применение метода возбуждённых ядер – это детектирование наркотиков и взрывчатки. Что одно, что другое укладывается в довольно узкие диапазоны по содержанию углерода, кислорода и азота, поэтому если мы заловили в багаже вещество с подходящим содержанием элементов, то с вероятностью примерно 95% - это оно, и хозяина багажа, к примеру, можно просить пройти на досмотр. Метод хорош своей неинвазивностью – для определения состава образец не надо ковырять, сжигать или ещё что-то с ним делать – а ещё тем, что для остановки потока нейтронов нужно где-то полметра воды или полиэтилена, а тонкий слой метала или пластика прозрачен что для них, что для гамма-излучения, то есть просвечивать нейтронами можно любой багаж.Есть ещё метод меченых нейтронов, дополнительно повышающий точность
читать дальше– он отличается детекторами, а ещё для него нужен вполне конкретный источник нейтронов, абы что не подойдёт. Нужный источник устроен следующим образом: есть мишень из трития (тритий – это водород-3, в ядре которого не просто протон, как у обычного водорода, а протон и два нейтрона), в которую летят ускоряемые электрическим полем ядра дейтерия (водорода-2; состоят из протона и нейтрона). При столкновениях получаются альфа-частицы (два протона, два нейтрона в каждой) и, собственно, свободные нейтроны, которые дальше летят в образец. Так вот, во-первых альфа-частица и нейтрон разлетаются под углом в почти 180 градусов (погрешность – около пяти градусов), то есть если мы знаем, куда летит альфа-частица, то мы знаем и примерное направление нейтрона. И если мы ставим многосекционный детектор альфа-частиц, то мы можем определить, в каком именно месте наши нейтроны засветили что-то интересное. Это во-первых. А во-вторых, мы теперь имеем возможность сравнить гамма-спектр от образца в те моменты, когда мы регистрируем альфа-частицы (а в образец, соответственно, летят нейтроны) и когда не регистрируем – а это позволяет нам выкинуть данные от фоновой засветки и изучать излучение только образца.Ещё нам показали, где проектируются и паяются управляющие схемы для этого счастья («собственный свечной заводик», как обозвал это водивший нас по кафедрам профессор), дали посмотреть, как обрабатывается деталь на токарном станке, и некоторые утащили себе стружку как сувенир, а ещё нам рассказали про (но потрогать, увы, не дали) компьютерный тренажер – пульт управления АЭС, подключенный к компьютеру, способному в реальном времени моделировать процессы в реакторе. На таких штуках обучается, повышает квалификацию и проходит переподготовку настоящий персонал настоящих электростанций.
В общем, было здорово.