12.37. Остроумной схемой изучения действия нейтронов с какой-либо одной произвольно выбранной скоростью является метод «времени полета». В этом методе источник нейтронов модулируется, т. е. устроен так, что эмиссия нейтронов происходит короткими «вспышками» или «импульсами». Каждый импульс содержит весьма большое количество нейтронов с очень широким диапазоном скоростей. Мишень и детектор расположены на значительном расстоянии от источника, в нескольких футах или ярдах от него. Детектор также «модулируется» с той же периодичностью, но со сдвигом фаз. Регулировка фаз производится так, что детектор реагирует лишь в течение короткого интервала времени, начинающегося спустя некоторое время после того, как пучок нейтронов покинул источник. Таким образом, любое действие, отмечаемое детектором (например, деление в слое урана, нанесенном на внутренней поверхности ионизационной камеры), производится лишь теми нейтронами, которые достигают детектора в точности к начальному моменту его работы и поэтому проходят весь путь от источника за определенный промежуток времени. Измеренные эффекты, таким образом, будут обусловлены нейтронами, обладающими одной определенной скоростью.
12.38. Получение нейтронов. Все нейтроны получаются в результате ядерных реакций, и их начальная скорость зависит от баланса энергии. Если реакция эндотермична, т. е. если общая масса результирующих частиц больше массы исходных частиц, то реакция произойдет только в том случае, если бомбардирующие частицы обладают кинетической энергией, большей «пороговой энергии». При более высокой энергии бомбардировки, кинетическая энергия результирующих частиц, и в частности нейтронов, возрастает с повышением кинетической энергии бомбардирующих частиц над пороговым значением. Реакция Li 7 (p, n)Be 7 поглощает 1, 6 MeV энергии, так как образующиеся частицы тяжелее исходных. Любая добавочная энергия падающих протонов переходит в кинетическую энергию продуктов реакции, так что максимальная скорость образовавшихся нейтронов повышается со скоростью падающих протонов. Для того, чтобы получить нейтроны с узким интервалом скоростей, нужно брать мишень малой толщины; протоны должны ударяться в мишень с одной и той же скоростью, а нейтроны необходимо наблюдать под определенным углом к пути падающих протонов.
12.39. Хотя к экзотермическим ядерным реакциям прилагаются те же законы сохранения энергии и количества движения, но выделяющаяся энергия обычно велика по сравнению с кинетической энергией бомбардирующих частиц и поэтому именно она определяет скорость нейтронов. Часто в одной и той же реакции получаются нейтроны разных энергий. Существуют реакции, дающие нейтроны с весьма большой энергией (близкой к 15 MeV).
12.40. Так как лишь небольшое число ядерных реакций применимо в качестве источника нейтронов, можно получить только определенные интервалы нейтронных скоростей. Не представляет никаких затруднений замедлить движение нейтронов, но невозможно сделать это замедление однородным, не расширяя интервала скоростей первоначальных нейтронов. Наиболее эффективным способом уменьшения скоростей нейтронов является применение замедлителя, как в случае графитового котла; этот котел сам по себе является превосходным источником тепловых или почти тепловых нейтронов с весьма малыми скоростями.
12.41. Определение углов отклонения. Трудности при измерении углов отклонения нейтронов в основном связаны с малой интенсивностью и ненадежностью интерпретации результатов опыта. Число нейтронов, рассеянных в каком-либо определенном направлении, может быть относительно мало, и «рассеянные» нейтроны почти всегда включают в себя много блуждающих нейтронов, возникающих при отражении от посторонних предметов.
12.42. Определение числа делений. Определение числа делений, производимых нейтронами или возникающих самопроизвольно, производится относительно просто. Здесь можно применять ионизационные камеры, счетчики и другие детекторы.
12.43. Обнаружение продуктов захвата нейтронов. Часто бывает желательно выяснить в деталях, что происходит с нейтронами, которые поглощаются, но не вызывают деления; примером может служить резонансный, или «радиационный» захват нейтронов ураном-238, превращающимся в U-239 и затем в плутоний. Подобные исследования обычно сводятся к микрохимическому разделению и изучению радиоактивности.
12.44. Некоторые эксперименты по определению ядерных постоянных. Ко времени постройки лаборатории в Лос-Аламосе была уже проведена большая работа по изучению взаимодействия медленных нейтронов с веществом. Так, было определено поперечное сечение деления обычного урана тепловыми нейтронами; такие же определения были сделаны и для отдельных изотопов урана и плутония. Были опубликованы данные по поперечным сечениям деления быстрыми нейтронами, а в лабораториях Проекта можно было получить и дополнительные сведения. Для расширения и уточнения всех этих данных в Лос-Аламосе применили генератор Ван-де-Граафа и, пользуясь реакцией Li 7 (p, n)Be 7, получали нейтроны любой энергии в пределах от 3 000 eV до 2 000 000 eV. Был достигнут успех в модулировании циклотронного пучка и в разработке метода «времени полета» нейтронов для быстрого получения эффекта от многих интервалов скоростей. Были разработаны специальные методы для заполнения пробелов в энергетическом спектре нейтронов. Особенно важным были те уточнения, которые оказались возможными, когда U-235, U-238 и плутоний стали получаться в больших количествах. Для этих веществ были надежно определены значения поперечных сечений деления, в зависимости от энергии нейтрона, в интервале от нуля до 3 000 000 eV.
12.45. Некоторые «интегральные» эксперименты. Можно описать два «интегральные» эксперимента, т. е. эксперименты над собранными в одно целое системами, содержащими испытывающий деление материал, отражатель и замедлитель. В первом из них была изучена система, содержавшая сравнительно большое количество U-235 в жидком растворе. Установка была рассчитана на работу при весьма малой мощности, поэтому охлаждения не было. Целью опыта была проверка явлений, предсказанных для систем, содержащих обогащенный U-235. Результаты опыта оказались близкими к ожидавшимся.
12.46. Второй интегральный эксперимент был произведен с котлом, содержавшим смесь урана и водородного замедлителя. В своей первоначальной форме установка представляла собою котел с цепной реакцией на медленных нейтронах. Затем котел был реконструирован с применением меньшего количества водорода. В этом варианте котла получило важное значение деление на быстрых нейтронах. Котел перестраивался еще несколько раз, причем всякий раз применялось все меньше водорода. Ряд таких реконструкций последовательно изменял характер реакции так, что деление на тепловых нейтронах играло все меньшую и меньшую роль, в то время как все большее значение приобретало деление на быстрых нейтронах, что приближало условия эксперимента к условиям, имеющим место в бомбе.