CC BY
21
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1962
Том 122
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙТРОННОГО ФОНА БЕТАТРОНА
НА 25 Мае С ПОМОЩЬЮ ЯДЕРНЫХ ФОТОЭМУЛЬСИЙ
л. к. ЬНРЗИН, Б. М. ЯКОВЛЕВ, А. А. Я'ГИС Введение
При работе бетатрона с максимальной энергией излучения свыше 10 Мэв, в результате . взаимодействия тормозного 7 - излучения с деталями конструкции ускорителя образуются нейтроны, энергетическое и угловое распределение которых представляет особенность каждой ускорительной установки в отдельности. Интенсивность потоков и энергия нейтронов колеблются в значительных пределах и зависят в основном от выхода и энергии тормозного у-излучения бетатрона.
Главную роль в качестве источника нейтронов в ускорительной установке играют мишень и фильтр, а также ускорительная камера, система диафрагм и защитных экранов.
При проведении физических экспериментов по изучению фото-ядерннх реакций, например, при исследовании угловых и энергетических распределений фотонейтронов от различных элементов, вклад нейтронов от бетатрона в результаты эксперимента может существенно изменить действительную картину и внести определенные ошибки в измерения. При использовании бетатронов в медицине для терапевтических целей, а также при биологических исследованиях потоки нейтронов в поле облучения объекта создают некоторую дополнительную дозу, которую, по-видимому, необходимо учитывать, особенно при длительном времени облучения, принимая во внимание высокую биологическую эффективность нейтронов.
По указанным выше вопросам измерения выхода, энергетического и углового распределения нейтронов от ускорителей электронов типа бетатрона или синхротрона в литературе имеется сравнительно мало данных. Для количественных измерений и угловых распределений потоков нейтронов использовался метод наведенной активности с помощью активации фольг из различных материалов: родия, индия, золота или активации образцов из алюминия, марганца или фосфора. Большое применение при измерениях потоков нейтронов находят BF3—счетчики [1, 2]. Для определения выхода нейтронов от бетатрона были использованы и фотоэмульсии типа Ilford С—2 и Agfa [3J. Автором был ориентировочно определен поток нейтронов в пучке тормозного у-излучения бетатрона на 15 Мэв, равный 3,8 • 105 нейт-\ю\юВ;СМ2 -сек, причем средняя энергия быстрых нейтронов принята
равной 1,33 Мэв; не указано, на каком расстоянии от мишени ускорителя проводились измерения. Сделана приближенная оценка величины поправочного коэффициента (несколько больше 100) для определения абсолютного потока быстрых нейтронов. Приведено также энергетическое распределение быстрых нейтронов без каких-либо поправок на фон.
Проведенные в 1957 59 гг. измерения потоков тепловых и быстрых нейтронов от нескольких бетатронов на 15 и 25 Мэв [4, о, 6,| показали, что использованная нами методика измерений и экспериментальная аппаратура: счетчики ВР3, „всеволновый" счетчик нейтронов и метод наведенной активности не дают возможности полностью произвести оценку выхода нейтронов от бетатрона, их энергетического и пространственного распределения. В связи с этим нами для оценки величины фона нейтронов, а также определения спектра быстрых нейтронов в поле тормозного -[-излучения бетатрона, спектра и распределения нейтронов в фантоме и определения дополнительных доз за счет нейтронов в облучаемом объекте были проведены в 195Н 60 гг. эксперименты с использованием отечественных ядерных фотоэмульсий.
В настоящей работе приводятся результаты измерении нейтронного фона в бетатронной лаборатории с помощью ядерных фотоэмульсий.
Постановка эксперимента
Для измерений потоков нейтронов использовались ядерные фотоэмульсии типа НИКФИ Т-3 и Я-2. Сущность метода ядерных фотоэмульсий заключается в том, что быстрые нейтроны, проходя через эмульсию, в результате (//, р) - рассеяния на водороде выбивают протоны отдачи, которые оставляют в эмульсии хорошо различимые и точно измеряемые следы, но величине которых можно судить об энергии частиц.
В качестве оптимальной толщины слоя эмульсии для наших экспериментов оказались наиболее пригодными толщины 100 и 200 микрон, так как при таких толщинах в эмульсии было обнаружено достаточное количество следов и, кроме того, методы проявления таких пластинок являются хотя и довольно длительными во времени, но не слишком сложными.
При облучении пластинок в пучке тормозного у~излУченин бетатрона на 25 Мэв или в полях рассеянного ---излучения прежде всего было необходимо определить оптимальную дозу - излучения для этих пластинок. При этом необходимо было учитывать, с одной стороны, то обстоятельство, что величина дозы-[-излучения должна быть большой, чтобы имелась возможность к образованию достаточного количества протонов отдачи в эмульсии в результате ядерных реакций под действием нейтронов, но вместе с тем величина дозы, с другой стороны, должна быть малой, чтобы не было слишком сильного почернения пластинок, что затруднит просмотр следов частиц, в особенности тех, которые проходят внутри эмульсии под большими углами.
Были проведены предварительно облучения серии пластинок типа Т-3, толщина эмульсии 200 микрон, а затем несколько серий пластинок типа Я - 2, толщина эмульсии 100 микрон в пучке тормозного -[-излучения с энергией 24 Мэв, причем пластинки помещались на расстоянии 1 м от мишени под углом 10'; к оси пучка. Оптимальная до-
за т-излучения оказалась равной 4-: 6 р. При дозе излучения 8 :-10 р почернение пластинок было настолько сильным, что затрудняло идентификацию следов частиц, а большая часть следов, длина которых невелика, выпадала из поля зрения. При дозе ^-излучения 15/? пластинки были совершенно черными и разобрать на них какие-либо следы не представлялось возможным.
Прежде чем проводить эксперимент, необходимо было выяснить вопрос о том, как влияет упаковочный материал и его толщина на число треков в эмульсии. В состав упаковочного материала (черная бумага, в которую завернуты пластинки для избежания их преждевременного засвечивания) входят элементы: водород Н1, углерод С12, азот кислород О10, и под действием тормозного у-излучения с энергией до 24 Мэв на этих элементах могут протекать фотоядерные реакции типа (7, п) и (7, р). В результате, помимо протонов отдачи, образующихся за счет быстрых нейтронов, обусловленных излучением от самой ускорительной установки, в эмульсии .будут регистрироваться и протоны, обязанные своим возникновением (7, р)-реакциям на различных элементах, и протоны отдачи, возникшие в результате (7, п) - реакций. Фотопластинки обертывались несколькими слоями бумаги, после чего облучались в пучке тормозного 7-излуче-ния бетатрона, причем доза 7-излучения в каждом случае оставалась постоянной. При просмотре этих пластинок было установлено, что в пластинках с одним слоем упаковочной бумаги было зафиксировано около 140треков/сж'2- сек, а в пластинках с 5 слоями бумаги число треков было в 2,5 раза больше. Поэтому в дальнейших экспериментах для избежания возможных ошибок за счет протонов, обусловленных наличием упаковочного материала, облучение пластинок проводилось без него в затемненном помещении.
Для просмотра пластинок использовался микроскоп типа МБИ-3 с масляным иммерсионным увеличением.
При просмотре пластинок на микроскопе с кратностью увеличения 900 X на различной глубине в эмульсии наблюдались всевозможные треки, вилки, звезды. Протоны отдачи, образующиеся в результате взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами различных элементов, входящих в состав эмульсии, имеют характерные треки с едва заметным началом и несколько изогнутым утолщенным концом. Протоны, возникшие в результате (/?., р) - рассеяния в стеклянной подложке эмульсии, треки которых входят в эмульсию со стороны подложки, во внимание не принимались. Треки, уходящие из эмульсии в подложку и выходящие из эмульсии, учитывались при исследовании пластинок, и величина их пробега приближенно оценивалась по среднему вероятному пробегу основного числа треков протонов отдачи, имеющих начало и конец в эмульсии. Количество их составляло около 5-:-10% от общего числа треков. Протоны, рассеянные на протонах, также фиксировались в эмульсии, и энергия протона в этом случае определялась по закону сохранения энергии и импульса в системе центра инерции. Протоны, образованные в результате (7, р) - или (пу р) - реакций на ядрах элементов, входящих в состав воздуха, а также коллиматора и защитных экранов, регистрировались эмульсией, однако следует отметить, что поперечное сечение этих реакций невелико и выход реакций незначителен. Соотношение между энергией протонов и пробегом их в воздухе дает основание для предположения, что расстояние от ближайших точек поверхности коллиматора и защиты до пластинок в 20 :-25 см будет оказывать препятствие для регистрации в эмульсии протонов с энергией до 4,0 Мэв. Тем не ме-
нее зарегистрировано значительное количество треков протонов, начинающихся с поверхности эмульсии не только в этих пластинках, по и в пластинках, удаленных на расстояние 70см от поверхности коллиматора и защитных экранов. Следовательно, протоны отдачи возникают не только внутри эмульсии, но и на ее поверхности. Кроме того, при тщательном изучении следов протонов, входящих в эмульсию извне, и следов протонов отдачи, образующихся на поверхности эмульсии, можно заметить различия в месте образования трека в эмульсии: след протона отдачи имеет неясно выраженное расплывчатое начало, начало же следа протона очень четкое.
В общее количество треков протонов отдачи вносят свой вклад также протоны и нейтроны, образующиеся в результате реакций типа: 1(7»")! (1-Р ь (7» пР)> а также реакции Ы'4(//.,/?)Си, на ядрах изотопов кислорода, углерода и азота, входящих в состав эмульсии. Треки этих событий можно идентифицировать однозначно по продуктам реакции и геометрии распада. Реакция типа (у, //) характеризуется наличием лишь одного следа,—следа ядра отдачи, чем и отличается от других реакций. Реакции типа (у, р) и (у, пр) характеризуются наличием двух следов: протона и ядра отдачи. Чтобы идентифицировать эти две реакции, необходимо иметь в виду, что при (у, /?)-реакции в эмульсии угол между следами протона и ядра отдачи близок к 1*0 , а суммарный импульс лежит в одной плоскости с ними и совпадает с направлением пучка у-квантов. При (у, пр)-реакции вылетающие частицы могут иметь разные по величине и направлению импульсы и любые углы по отношению к направлению пучка у-излучения. Образующиеся в результате реакции 1Ми(я, /0СП на медленных нейтронах треки можно идентифицировать по суммарному пробегу протона и ядра отдачи (около б микрон). В качестве примера следов частиц в эмульсии пластинок на рис. 1 приведена фотография следа протона отдачи.
Для вычисления величины пробега протонов отдачи с помощью окулярной шкалы микроскопа измерялись горизонтальная проекция сл^-
да и вертикальная составляющая („погружение"), причем вносилась поправка на коэффициент усадки эмульсии, величина которого для различных пластинок колебалась в пределах 1,83-: 2,2. Точность измерений при определении вертикальной проекции следа ограничивалась ценой деления микрометрического винта (до 1 микрона).
Для вычисления энергии протонов отдачи по их пробегам в эмульсии нами использовались номограммы про-бег-энергия, приведенные в работе \1\. Эти номограммы составлены для пластинок типа Шок! С - 2, но могут быть использованы и для отечественных пластинок, так как разница в составе этих эмульсий невелика и ошибки в определении величины энергии протонов отдачи будут незначительными.
Результаты измерений
Схема расположения фотопластинок типа Я - 2, 100 микрон в помещениях бетатрониой лаборатории представлена на рис. 2. Основ-
г
> < - *7* ре*** * ^ ** *** ,* *
л ЧК*^ * « «
Рис. 1
ное внимание уделялось измерениям нейтронного потока в пучке тормозного 7-излучения, а также в помещении пультовой комнаты у перископа (11) и пульта управления (12), где находятся экспериментаторы и обслуживающий персонал во время работы ускорителя. Как уже упоминалось выше, оптимальная доза 7-излучения для пластинок, установленных в пучке на расстоянии 1 м от мишени, составляла 5р. Контроль за постоянством интенсивности 7-излучения осуществлялся с помощью двух ионизационных камер, одна из кото-
рых находилась в пучке тормозного 7-излучения на расстоянии 1 м от мишени, а вторая—в рассеянном излучении ускорителя. При изучении потоков нейтронов в пультовой комнате доза 7-излучения в пучке па расстоянии 1 м от мишени составляла 100р. Облучение пластинок в экспериментальном зале проводилось без упаковки в затемненном помещении; пластинки, находящиеся в пультовой комнате, были помещены в однослойные конверты из плотной черной бумаги. Результаты измерений приведены в таблице.
Как видно из результатов измерений, наибольшая величина потока быстрых нейтронов составляет 6,38 ■ 10Анейтр1см2 на 1 р тормозного 7-излучения. Из приведенных в таблице данных для потоков быстрых нейтронов, измеренных в точках 2, 3, 4 и 5, расположенных симметрично относительно оси пучка, тормозного 7-излучения, видно, что в точке 2, находящейся в горизонтальной плоскости на расстоянии 20 см вправо от пучка, поток быстрых нейтронов больше, чем в остальных точках. Это можно, по-видимому, объяснить дополнительным вкладом за счет нейтронов, отраженных от стены помещения. Отмечается уменьшение потока быстрых нейтронов в пучке тормозного 7-излучения но мере удаления от мишени ускорителя. Возрастание величины потока нейтронов в точке, удаленной от мишени на расстояние 4,2ж, в „абсолютно черном теле", объясняется обратным рассеянием нейтронов от стенок „черного тела". Эти измерения
Т а б л и ц а
Точки, в которых производились измерения
Потоки быстрых нейтронов в \\о.\про\\ см:рент?вн
Примечание
И -J KCl ¡ери ментальном зале
8 О 10
11
12
6,38-И)4 ! в пучке, 1 м от мишепн
2,36-1С4 1 1 м от мишени, 20 см вправо от оси пучка
1,89 ■ 10Ч ! 1 лг от мишени, 20 см влево от о и I учкл
1
1,70 ДО4 ! 1 м от мишени, 20 г.V/ вверх от оси пучка
I
1,75-104 I 1 м от мишени, 20 см вниз от оси пучка
I
I
4,78-1'4 | в пучке, 1,3.« от мишени
3,07-1С4 : в пучке, 1,5 м от мишени
2,32-Н)1 в пучке, 2,0.»/ от мишени
1,58• К)4 | в пучке, 3,0 м от мишени
3,31-1С4 : в пучке, 4,2л* от мишени (в „абсолютно чер-
\ ном теле")
В пультовой комнате
4,6 | у перископа
— ! у пулы а управления
Примечание. В точках И и 12 измерения быстрых нейтронов отнесены к дозе ";-излучения 100 рентген в пучке на расстоянии 1 м от мишени.
еще раз подтверждают результаты измерений потоков нейтронов, проведенных ранее с помощью других методов [8].
Приведенные в настоящей работе данные измерений потоков быстрых нейтронов с помощью фотопластинок являются первыми результатами исследований потоков нейтронов, их энергетического и пространственного распределения с использованием ядерных фотоэмульсий, проводимых на бетатронах с энергией тормозного 7-излучения на 25 Мэв.
РАТУРА
1. J. S. L а н g h 1 i п. - Nucleonics, 8, 5, 1951.
2. M. W ä file r. Das Brown Bovcri Betatron, s. 17, 1958.
3. 1). Hoimann Strahlentherapie, 97, 239, 1955.
4. В. .'I. Королев, I". А. Ч e p e в а т e 11 к о, В. M. Яковлев. Научный отчет, -Vi 139, ТИП, 1958; Научный отчет №(55. НИИ ТИП, 1958.
5. A. ci. Г р я з и о в, Р. П. Мещеряков, В. М. Яковлев. Научный отчет. № 0857 71, НИИ ТПИ, 1959.
(). В. М. Я к о в л е в, P. И. M е щ e р я к о в, А. ,7. Г р я з п о в. Доклад на Iii Всесоюзной .межвузовской конференции по электронным ускорителям, г.Томск, 1959.
7. P. Deniers lonographie, p. 252, 1958.
8. Р. П M e m г p я к о в, В. M. Я к о в л е в, А. Л. Г р я з н о в, Г. А. Ц ы б а. Доклад па III Всесоюзной межвузовской конференции по электронных! ускорителям, г. Томск. 1959.
