CC BY
80
УДК 621.039.56
И.М. ПРОХОРЕЦ, С.И. ПРОХОРЕЦ, А.И. СКРЫПНИК, В.П. ЛУКЬЯНОВА, М.А. ХАЖМУРАДОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ ДЛЯ МНОГОШАРОВОГО СПЕКТРОМЕТРА
Рассматривается возможность регистрации тепловых нейтронов на фоне гамма-квантов 239Ри-Ве источника. Экспериментально показывается, что путем дискриминации сигналов от гамма-квантов низких энергий возможно их отделение от сигналов, вызванных нейтронами в сцинтилляторе ZnS(Ag). Регистрация сигнала с ZnS(Ag) осуществлялась фотоэлектрическим умножителем. Амплитудное разрешение системы регистрации, в которой использовались предварительный усилитель и основной усилитель с Я-С-формиро-вателя, достигало 15%. Показывается изменение спектра нейтронов в эксперименте. Для этого использовалась программа моделирования прохождения нейтронов через полиэтиленовый замедлитель на основе кода МС№.
1. Введение
Дозиметрические измерения вокруг источников нейтронного излучения связаны с определенными трудностями, так как в прямой видимости этих объектов или за их защитой наблюдается широкий энергетический спектр нейтронов от 10-2 до 107 эВ [1]. В технике радиационного контроля мощность дозы нейтронов вместо прямого измерения часто определяют по потоку нейтронов, используя сведения об энергетическом спектре нейтронов. Тепловые (~ 0,025 эВ) и промежуточные нейтроны измеряют с помощью реакций (п,а) на элементах 10В и 6Ы. Измерение быстрых нейтронов с энергией от нескольких десятых до нескольких десятков МэВ основано на регистрации протонов отдачи, образующихся при упругом рассеянии быстрых нейтронов в водосодержащих материалах. Измерение потока нейтронов, не зависящее от энергии, в диапазоне от 10-2 до 109 эВ осуществляется с помощью многошарового метода [2, 3].
Спектрометр нейтронов, работающий по этому принципу, состоит из датчика тепловых нейтронов, расположенного в центре шаров различного диаметра, каждый из которых выполняет роль замедлителя нейтронов. Чувствительность каждого шара имеет максимум при определенной энергии нейтронов, положение которого зависит от диаметра шара. Информация о спектре нейтронов содержится в измерениях, проведенных с использованием шаров различного диаметра. Получение такой информации является непростой задачей, так как она требует решения, основанного на некорректных методах [4, 5].
Чувствительность многошарового спектрометра зависит от диаметра шара и датчика тепловых нейтронов. Она характеризуется функциями отклика, для получения которых используются экспериментальные и расчетные методы.
Экспериментальный метод определения функций отклика использовался в работе Боннера с сотрудниками [2]. Для этих целей понадобились моноэнергетические нейтроны в диапазоне энергий от 50 кэВ до 15 МэВ и нейтроны с тепловыми энергиями, а в качестве детектора замедленных в полиэтиленовых сферах нейтронов - сцинтиллятор Ы61 (Еи). Сцинтилляции, возникающие в результате экзотермической реакции Ы6(п, а)Н3 ^=4,8 МэВ), регистрировались фотоумножителем.
Такой метод получения функций отклика обладает существенными недостатками, обусловленными трудностями получения и регистрации нейтронов с энергиями меньше нескольких килоэлектронвольт и больше 20 МэВ. По этой причине для получения функций отклика шарового спектрометра начали применять математическое моделирование процессов прохождения нейтронов через замедляющие шары и регистрации их детектором. Распространению этого метода способствовало увеличение быстродействия компьютеров, наличие проверенных библиотек сечений процессов взаимодействия нейтронов с различными химическими элементами и распространением появившихся на их основе программных кодов типа АККК [3] и МСКР [6, 7]. Используя этот метод, были определе-
ны функции отклика для шаровых спектрометров с детекторами тепловых нейтронов на основе сцинтилляторов 6 LiI, сферических газоразрядных пропорциональных счетчиков [8] и активационных фольг из индия и золота [3]. Результаты расчетов с использованием, в основном, кода ANISN сравнивались с экспериментальными данными о функциях отклика, полученными за последние годы на моноэнергетических и тепловых нейтронах и нейтронах с изотопных источников. Было получено хорошее согласие экспериментальных и расчетных данных при высоких энергиях нейтронов, но обнаружено расхождение при тепловых энергиях.
Регистрация нейтронов в различных средах человеческой деятельности сцинтиллято-ром ZnS, обогащенным бором или другими элементами с большими сечениями взаимодействия медленных нейтронов, используется продолжительное время [1, 9, 10, 11]. Такая «продолжительность жизни» метода регистрации нейтронов, прежде всего, обусловлена большим сечением взаимодействия нейтронов теплового диапазона энергий с изотопом В10, который в природной смеси химического элемента составляет 19,8% [12]. В работе [1] в примечании переводчика с немецкого упоминается о преимуществе сцинтиллятора ZnS(Ag) по сравнению с другими сцинтиллирующими материалами при регистрации нейтронов при наличии гамма-фона, а З.Я. Соколова и В.Б. Черняев [9] провели исследования дискриминации сигналов при регистрации нейтронов и гамма-излучения и показали, что эффективность регистрации нейтронов и чувствительность детектора зависит от уровня дискриминации регистрируемых сигналов, который можно выбирать из условий допустимого гамма-фона в эксперименте. В работе [11] было показано, что новые сцинтилляторные материалы ZnS: Ag/6LiF, ZnS: Ag/10B2O3 обеспечивают лучшую эффективность регистрации тепловых нейтронов по сравнению с коммерческими сцинтилляторами ВС-704 фирмы Bicron. В. Д.Ры-тиков с сотрудниками [10] показали, что тепловые нейтроны от источника Pu-Be и гамма-кванты от источника 241Am с энергией 26,3 и 59,5 кэВ регистрируются фотодиодом типа Si-PIN-PD S-3590 при поглощении сцинтиллятором типа ZnS(Ag)+10B2O3.
Учитывая многолетний интерес к нейтронной тематике, приведенные результаты исследований сцинтиллятора ZnS(Ag) с конвертером 10В, представленные в этой работе, являются актуальными и полезными для развития дозиметрии нейтронов на основе многошарового спектрометра.
2. Методика исследований и результаты
Детектирование тепловых нейтронов сцинтиллятором ZnS(Ag) с добавкой 10В осуществляется путем реакции 10B(n, а )7Li, в результате которой образуются заряженные частицы по двум каналам распада составного ядра с вероятностью 94 и 6 %:
6 %: 7Li( 1,015 МэВ+ а (1,777 МэВ),
ioD I Q=2,792 МэВ (основное состояние),
B+n—^ и ж
94 %: 7Li (840 кэВ+ а (1,470 МэВ),
Q=2,310 МэВ (первый возбужденный уровень), где Q - энергия реакции.
Из зависимости приведенного процесса от энергии нейтронов (рис. 1) следует, что поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов (энергия 0,0259 эВ) составляет 3840 барн, оно уменьшается с увеличением энергии нейтронов по закону 1/ &, где $ -скорость нейтрона. После поглощения нейтрона в 94% реакции образуется ион 7Li в первом возбужденном состоянии, которое в результате испускания гамма-кванта с энергией 480 кэВ возвращается в основное состояние за время около 10-13 секунд [13].
Детектор тепловых нейтронов представляет собой цилиндр из оргстекла диаметром 10 мм и высотой 40 мм, покрытый слоем ZnS^g^1^ толщиной 100 мкм, за исключением основания цилиндра, соединенного с фотоумножителем ФЭУ-87 диаметром 40 мм путем оптического контакта. Детектор, за исключением поверхности, примыкающей к ФЭУ, упакован в алюминиевый корпус. Фотоумножитель с детектором размещаются в светонепроницаемом корпусе. В этом же корпусе находятся делитель ФЭУ и предварительный усилитель сигнала (рис. 2). Для подачи напряжения на усилитель и съема с него сигнала используется один и тот же высокочастотный кабель.
1.0Е-1 1.0Е+1 1.0Е+3 1,0Е+5 Энергия нейтронов, эВ Рис. 1. Сечение взаимодействия нейтронов
Рис. 2. Схема предварительного усилителя детектора
В экспериментальном варианте шарового спектрометра используются полиэтиленовые шары диаметром 90, 120, 152, 200 и 245 мм. Для регистрации только тепловых нейтронов спектрометр используется без замедляющих шаров световодом, покрытым слоем ZnS(Ag)+10В. Для использования замедляющих сфер диаметром больше 245 мм в конструкцию спектрометра легко добавляется более длинный световод между фотоумножителем и детектором тепловых нейтронов.
Такая конструкция спектрометра не обладает сферической симметрией, поэтому для детального моделирования влияния геометрических параметров детектора тепловых нейтронов на функцию отклика необходимо использовать современные программные коды, например, МСОТ [6, 7].
Экспериментальная установка для исследования возможности разделения сигналов, вызванных нейтронами и фотонами от Ри-Ве источника, была создана на спектрометре без замедляющего шара. Сигнал с фотоумножителя усиливался предварительным усилителем, расположенным в корпусе ФЭУ, дополнительно усиливался и формировался спектрометрическим усилителем типа 1101 фирмы Ро1оп и подавался на амплитудный анализатор, подключенный к персональному компьютеру.
В эксперименте в качестве излучателя использовался 239Ри-Ве источник нейтронов. В этом источнике нейтроны образуются в результате экзотермической реакции
а+4Ве ^п12С + 5,71 МэВ, которую инициируют а -частицы, вылетающие при распаде ядра 239Ри.
Активность такого источника составляла 1,13Ч105 нейтронов в секунду в телесный угол 4р, а его спектр представлен на рис. 3. Спектр нейтронов жесткий и имеет два максимума, зависящих от возбужденного состояния, в котором остается ядро 12С [14, 15].
Для проведения эксперимента между детектором и 239Ри-Ве источником располагался замедлитель нейтронов в виде полиэтиленовой пластины толщиной 5 или 10 см. Спектры нейтронов в диапазоне до 1 МэВ, полученные в результате моделирования по программе на основе кода МСКР-4С [6] прохождения нейтронов спектра источника 239Ри-Ве через пластины полиэтилена толщиной 5 и 10 см, показаны на рис. 4.
0,04
д • - 5 см
д - 10 см •
д
•
•
А
- д
• •
- д * 8 • д д
_ •
........1 ■ ......1 ........1
10 10"' 10 10' 10" Энергия нейтронов, МэВ
ю-
Рис. 3. Спектр 239Ри-Ве источника нейтронов
Рис. 4. Спектр нейтронов после прохождения полиэтиленовой пластины толщиной 5 и 10 см
Кроме нейтронов, источник 239Ри-Ве испускает гамма-кванты, которые также регистрируются детектором тепловых нейтронов на основе ZnS(Ag) с добавкой 10В. Фотоны с энергией 4,44 МэВ возникают в результате перехода возбужденного состояния ядра 12С* в основное. После испускания а-частицы ядром 239Ри возникает ядро 235и, переходы которого в основное состояние дают гамма-кванты различных энергий: 12,9; 51,6; 38,6 кэВ с вероятностью на один нейтрон 2096, 1066 и 404 соответственно [14].
Выводы
Результаты измерения амплитудных спектров для определения рабочего напряжения фотоумножителя в целях выбора оптимального режима, при котором дискриминируются сигналы от низкоэнергетических фотонов источника излучения и шумы фотоумножителя, представлены на рис. 5 и 6,а.
Результаты измерения амплитудного спектра нейтронов и фотонов источника 239Ри-Ве, измеренные с использованием сцинтиллятора на основе ZnS(Ag) с добавкой 10В, представлены на рис. 6,б.
1300 1400
УфЭу, в
а
1300 1400 1500
¥ФЭУ. в б
Рис. 5. Спектры сигналов: а - от а -источника и шума ФЭУ; б - от Ри-Ве источника нейтронов и фона Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о возможности разделения сигналов рассмотренным выше спектрометром от гамма-квантов и тепловых нейтронов и использования сцинтиллятора на основе ZnS(Ag)+10В совместно с фотоумножителем в качестве детектора тепловых нейтронов в многошаровом спектрометре.
5000 -|
УфЭУ; В Канал АЦП
а б
Рис. 6. Результаты измерения: а - спектра Pu-Be нейтронного источника, закрытого свинцом толщиной 4 см; б - амплитудного спектра нейтронов и фотонов Pu-Be источника при Уфэу =1340 В
Для продолжения исследований по многошаровому спектрометру необходимо промоделировать его функции отклика на нейтроны различного диапазона энергий и рассмотреть возможность использования методики наведенной активности взамен прямой регистрации нейтронов.
Список литературы: 1. ФранкМ., Штольц В. Твердотельная дозиметрия ионизирующего излучения / Под ред. И.Б. Керим-Маркуса. М.: Атомиздат, 1973. 247с. 2. BramblettR.L., EvingR.J., Bonner T. W. A new type of neutron spectrometer // Nucl. Instrum. Meth. 1960. Vol.9. P.1-12. 3. Thomas D.J., Alevra A.V. Bonner sphere spectrometers - a critical review // Nucl. Instrum. Meth. 2002. A476. P. 12-20. 4. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974. 142с. 5. Reginatto M. Bayesian approach for quantifying the uncertainty of neutron doses derived from spectrometric measurements // Radiat. Prot. Dosim. 2006. Vol. 121, No.1. P.64-69. 6. MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport Code. Version 4C / Ed. J.F. Briesmeister. 2000. 7. MCNPX2.4.0. RSICC Computer Code Collection. Monte Carlo N-Particle Transport Code System for Multiparticle and High Energy Applications. CCC-715. 2002. 8. Mares V.,Schraube H. Improved response matrices of Bonner sphere spectrometers with 6LiI scintillation detector and 3He proportional counter between 15 and 100 MeV // Nucl. Instrum. Meth. 1995. A366. P.203-206. 9. Соколова З.Я., Черняев В.Б. Параметры сцинтилляторов на основе ZnS(Ag) для регистрации нейтронов // АЭ. 1970. Т.78. Вып.2. С.162-164. 10. Ryzhikov V., Chernikov V., Nagornaya L. et all. Oxide and Semiconductor Scintillators in Scintielectronic Detectors for detection of Neutrons. http: //www.ndt.net/ article. 11. Kojona T., Katagiri M., Tsutsui N. et all. Neutron scintillators with high detection efficiency // Nucl. Instrum. Meth. 2004. A259. P.325-328. 12. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.М. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232с. 13. McGregorD.S., VernonS.M., GerschH.K. et al. Self-Biased Boron-10 Coated High-Purity Epitaxial GaAs Thermal Neutron Detectors // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2000. NS-47. P.1364-1370. 14. Sagatova-Perdochova A., Dubecky F., Zatko B. et al. Detector of fast neutron based on semi -insulating GaAs with neutron converter layers // Nucl. Instrum. Meth. 2007. A576. P.56-59. 15. http: //www.ornl.gov/sci/scal/papers/RPSD2002_0rigen_sources.pdf.
Поступила в редколлегию 13.03.2010 Прохорец Иван Михайлович, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Национального Научного Центра Харьковский Физико-технический институт. Научные интересы: математическое моделирование физических процессов и систем. Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)335-68-46. e-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua Прохорец Светлана Ивановна, канд. техн. наук, научный сотрудник Национального Научного Центра Харьковский Физико-технический институт. Научные интересы: математическое моделирование, программирование. Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)335-68-46. e-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua
Скрыпник Анна Ивановна, студентка Харьковского университета. Научные интересы: математическое моделирование. Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)335-68-46. e-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua
Лукьянова Валентина Петровна, ведущий инженер-программист Национального Научного Центра Харьковский Физико-технический институт. Научные интересы: математическое моделирование, программирование. Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)335-68-46. e-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua
Хажмурадов Манап Ахмадович, д-р техн. наук, профессор, начальник отдела Национального Научного Центра Харьковский Физико-технический институт. Научные интересы: математическое моделирование физических процессов и систем, автоматизация проектирования, программирование. Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)335-68-46, e-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua
