Поглощение нейтронов

всей поверхности диода в < вкр, вв = 180°. Однако в полусферической конструкции несколько возрастает поглощение излучения в самом полупроводнике.

Такое уменьшение коэффициента отражения до минимального значения, близкого к нулю, и последующее его возрастание до единицы при уменьшении частоты обусловлено влиянием свободных носителей заряда и связано с явлением плазменного резонанса. Частота шр соответствует частоте собственных колебаний электронной плазмы. При частоте озр происходит резонансное поглощение излучения колеблющейся плазмой. Это явление получило название плазменного резонанса. На 6.2 приведены спектры отражения образцов антимонида индия с различной концентрацией носителей заряда в области плазменного резонанса.

Фотодиод — полупроводниковый диод с р-п переходом между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом, в котором поглощение излучения, происходящее в непосредственной близости перехода, вызывает фотогальванический эффект, который проявляется в создании ЭДС на его выводах. Как видно из определения, в основе конструкции фотодиода может быть любой полупроводниковый диод или диод Шотки, выпрямительные свойства которого основаны на взаимодействии металла и обедненного слоя полупроводника (см. также § 4.8).

волн. Например, для непрозрачных лаков в наибольшей степени свойственно поглощение излучения в инфракрасной области спектра с Я=2,5н-4 мкм [4].

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эффект»). Излучение, претерпевающее на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись от различных граней кристалла, в конце концов падает на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность ему выйти наружу. Как видим, многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

Поглощение излучения характеризуют в полупроводниках глубиной поглощения хо или обратной величиной 1/Хо — показателем поглощения. Показатель поглощения равен от-

Тепловое излучение — это некогерентное излучение электронов и ионов вещества в процессе хаотического теплового движения. В полупроводниковых приборах, в которых поглощение излучения велико, можно считать, что излучает поверхность тела. Следует подчеркнуть, что перенос тепла излучением — наиболее быстродействующий механизм теплообмена.

На 7.41 показаны спектральные характеристики пропускания стекла (кривая /) и полимера (кривая 2), используемых в качестве оптических сред оптопар. В ближней инфракрасной области длин волн в полимере наблюдается резонансное поглощение излучения химическими группами ОН, СН3, СН2, NH2 NH и др. На спектральной характеристике пропускания резонансному поглощению соответствуют узкие провалы. В диапазоне рабочих волн AI—А2 коэффициент пропускания оптической среды должен быть близок к единице.

Механизм поглощения энергии излучения свободными электронами сводится к тому, что под действием электромагнитного поля эти электроны совершают колебательные движения синхронно с полем. Если в процессе таких колебаний электрон испытывает столкновения с кристаллической решеткой полупроводника, то он передает ей энергию поля. В противном случае электрон возвращает электромагнитному полю накопленную им энергию. Таким образом, поглощение излучения свободными носителями и связанное с этим рассеяние энергии кристаллической решеткой не являются фотоактивными процессами и не приводят к изменению проводимости полупроводника. Тем не менее эти процессы могут косвенно влиять на-фотопроводимость, повышая уровень возбуждения электронов и их готовность к переходу из валентной зоны в зону проводимости.

Поглощение излучения в материале зависит от природы материала и качества самого излучения. .

Таким образом, поглощение излучения в материале, как видно из выражения (5-9), зависит от природы материала и качества самого излучения. Рассеяние энергии излучения происходит в основном из-за ионизации (внутренний фотоэффект), возбуждения атомов, комптоновского эффекта, а при очень больших энергиях — из-за ядерных преобразований. Часть энергии расходуется на выбивание атомов или ионов в междоузлия, причем в решетке появляются вакансии и дефектные центры (см. В-6).

Цепная реакция будет поддерживаться с определенными трудностями, если энергия поглощаемых нейтронов будет выше 0,1 кэВ. Нейтроны, энергия которых меньше этого значения, называются тепловыми нейтронами. Это название означает, что нейтроны обладают относительно малой энергией, сопоставимой со средней энергией теплового движения молекул. Реакторы, работающие на таких нейтронах, называются тепловыми ядерными реакторами. Поскольку нейтроны, получающиеся в результате цепной реакции, обладают энергией в несколько мегаэлектрон-вольт, то необходим процесс замедления. В обычном реакторе замедлитель помещается или распределяется между топливными стержнями. Наилучшим замедлителем будет такой, в котором нейтроны только замедляются, но не поглощаются, поскольку поглощение нейтронов уменьшает нейтронный поток и затрудняет процесс поддержания цепной реакции. В качестве замедлителя используются легкая (обычная) и тяжелая вода ',-' гелий, графит2. Наиболее широко в энергетических реакторах используется обычная вода.

Цепная реакция будет поддерживаться с определенными трудностями, если энергия поглощаемых нейтронов будет выше 0,1 кэВ. Нейтроны, энергия которых меньше этого значения, называются тепловыми нейтронами. Это название означает, что нейтроны обладают относительно малой энергией, сопоставимой со средней энергией теплового движения молекул. Реакторы, работающие на таких нейтронах, называются тепловыми ядерными реакторами. Поскольку нейтроны, получающиеся в результате цепной реакции, обладают энергией в несколько мегаэлектрон-вольт, то необходим процесс замедления. В обычном реакторе замедлитель помещается или распределяется между топливными стержнями. Наилучшим замедлителем будет такой, в котором нейтроны только замедляются, но не поглощаются, поскольку поглощение нейтронов уменьшает нейтронный поток и затрудняет процесс поддержания цепной реакции. В качестве замедлителя используются легкая (обычная) и тяжелая вода ',- гелий, графит 2. Наиболее широко в энергетических реакторах используется обычная вода.

Поток нейтронов должен быть тщательно сформирован, чтобы обеспечить необходимый для воспроизводства избыток нейтронов. В дополнение к обычным для всех реакторов проблемам, связанным с утечкой нейтронов и отравлением продуктами деления реакторы-размножители с расплавленной солью имеют также еще одну проблему: поглощение нейтронов ядрами изотопа протактиния (233Ра), который является промежуточным звеном в цепи воспроизводства. Эти ядра имеют сечение поглощения нейтронов, определенное для района резонанса энергии, приблизительно 850 барн, а сечение 233U равно приблизительно 525 барн. Может даже оказаться, что воспроизводство окажется невозможным до тех пор, пока 233Ра содержится в области высокого нейтронного потока.

в природном .уране число ядер урана-238 превосходит число ядер урана-235 более чем в 100 раз, шанс что нейтрон, обладающий такой высокой энергией,, вызовет расщепление урана, равен 47 всего лишь 1 : 100 (это как раз и равняется соотношению макроскопических ядерных сечений урана-235 и урана-238). В диапазоне резонанса (1—1000 эВ) величина ядерного (микроскопического.), сечения урана-238 претерпевает резкие флюктуации (см. 23), суммарным результатом которых является то, что поглощение (без расщепления) ядрами урана-238 резко увеличивается для нейтронов с такими энергиями. И лишь в области меньше 1 эВ ядерное сечение расщепления урана-235 непрерывно увеличивается с уменьшением энергии нейтрона (см. 22) и становится приблизительно в 100 раз больше ядерного сечения поглощения нейтронов ядрами урана-238. В последнем случае макроскопические сечения урана-235 и урана-238 выравниваются, поскольку ядер урана-238 все же в 100 раз больше ядер урана-235. Следовательно, с этого момента (то есть при дальнейшем уменьшении энергии) расщепление урана может происходить не реже поглощения нейтронов ядрами без последующего расщепления. Очевидно, что для поддержания цепной реакции деления, проходящей в природном уране, необходим замедлитель — вещество, способное снизить энергию нейтронов, появляющихся при расщеплении, до значений меньше 1 эВ (желательно гораздо меньше), прежде чем нейтрон вновь столкнется с ядром урана. При этом замедлитель должен быть весьма эффективным, так как снижение энергии нейтронов всего лишь до 10 или 100 эВ приводит к обратному действию: эти значения энергии приходятся на диапазон резонанса, в котором поглощение нейтронов ядрами урана-238 становится максимальным.

1. Вещество-замедлитель не должно в какой-либо заметной степени поглощать нейтроны. Ведь само замедляющее вещество предназначено для того, чтобы предотвратить поглощение нейтронов ядрами урана. Соответственно вещество-замедлитель не должно содержать примеси другого вещества, поглощающего нейтроны.

28. Зависимости ядерного сечения от энергий нейтрона для поглощения ураном-238 (прямая линия) и для расщеп- зон резонанса, для которого ления урана-235 (пунктир), характерно максимальное Максимум расщепления (Б) поглощение нейтронов яд-, находится между двумя мак- _00 v „ м

Более простым способом является воздействие на поглощение нейтронов в активной зоне. Используются твердые и жидкие материалы, содержащие ядра, сильно поглощающие нейтроны. К таким материалам относятся, например, бор (естественный или обогащенный изотопом 10В), кадмий, европий, гафний. Эти материалы поглощают нейтроны сильнее, чем 235U в 5—10 и более раз. Введение и выведение поглощающих материалов в активную зону осуществляется различными способами. Наиболее

Достоинства тяжелометаллического теплоносителя — высокая температура кипения и незначительная активация, малое замедление и поглощение нейтронов и как следствие возможность получения отрицательного пустотного эффекта реактивности и увеличения доли теплоносителя в активной зоне для повышения уровня естественной циркуляции.

Реакторы называют тяжеловодными, так как в качестве замедлителя нейтронов в них используется тяжелая вода (D20). Тяжелая вода имеет самый большой коэффициент замедления по сравнению с легкой водой и графитом, т.е. поглощение нейтронов в ней минимально. Это дает возможность использовать в данных реакторах в качестве ядерного топлива природный уран. Пробег нейтронов в тяжелой воде велик (по сравнению с пробегом в легкой воде), поэтому размеры тяжеловодных реакторов значительно превышают размеры легководных реакторов равной мощности. Тяжеловодные реакторы применяют в таких странах, как Канада, Индия, Китай, Республика Корея, Пакистан, Аргентина, Румыния, Япония.

Достоинства тяжелометаллического теплоносителя — высокая температура кипения и незначительная активация, малое замедление и поглощение нейтронов и как следствие возможность получения отрицательного пустотного эффекта реактивности и увеличения доли теплоносителя в активной зоне для повышения уровня естественной циркуляции.

Реакторы называют тяжеловодными, так как в качестве замедлителя нейтронов в них используется тяжелая вода (D2O). Тяжелая вода имеет самый большой коэффициент замедления по сравнению с легкой водой и графитом, т.е. поглощение нейтронов в ней минимально. Это дает возможность использовать в данных реакторах в качестве ядерного топлива природный уран. Пробег нейтронов в тяжелой воде велик (по сравнению с пробегом в легкой воде), поэтому размеры тяжеловодных реакторов значительно превышают размеры легководных реакторов равной мощности. Тяжеловодные реакторы применяют в таких странах, как Канада, Индия, Китай, Республика Корея, Пакистан, Аргентина, Румыния, Япония.