<<
>>

2.3.2 Расчёт и исследование спектральных характеристик полистирольных детекторов без добавления в них бора-10

Расчёт проводился для сцинтилляторов на основе полистирола толщиной 5, 10, 20 и 30 мм и диаметром 18 мм без добавок бора-10 в вещество сцинтиллятора. Целью расчёта являлось определение зависимости количества фотонов, порожда­емых каждым нейтроном, в диапазоне вариации их энергий от 0,025 эВ до 25 МэВ. Поток нейтронов направлялся перпендикулярно торцу сцинтиллятора с равномер­ным распределением по его площади. На рисунке 2.2 представлена зависимость

потока фотонов от энергии нейтронов. На рисунке 2.3 представлены те же зависи­мости, но в логарифмическом масштабе.

Тем не менее, как видно из этого рисунка, на интервале до энергий в 100 кэВ даже такого усреднения недостаточно для сгла­живания стохастичности образования сцинтилляций.

Анализ этих зависимостей показывает, что для разных толщин сцинтилля­тора энергетический порог бомбардирующих нейтронов, начиная с которого коли­чество сцинтилляций начинает быстро нарастать, получается разным и составляет от 50 кэВ для минимальной толщины сцинтиллятора (5 мм) до 200 кэВ для макси­мальной толщины (30 мм). Аналогично смещается и энергия, соответствующая максимуму сцинтилляций. При этом максимальный уровень сцинтилляций превы­шает минимальный в 200-250 раз.

Рисунок 2.2 - Зависимости количества фотонов (на нейтрон) от энергии нейтронов детекторов с полистирольными сцинтилляторами без добавления 10B толщиной 5, 10, 20 и 30 мм от энергии нейтронов (линейный масштаб)

Для объяснения наличия порогов энергии нейтронов, начиная с которых происходит резкий рост количества сцинтилляций, была проведена распечатка

трассировки процессов, происходящих в сцинтилляторе при попадании в него

нейтронов разных энергий.

Рисунок 2.3 - Зависимости количества фотонов (на нейтрон) от энергии

нейтронов для тех же детекторов (логарифмический масштаб)

Оказалось, что нейтроны низких энергий в результате последовательных столкновений с ядрами атомов водорода выбивают некоторое количество протонов отдачи, которые, тормозясь в веществе сцинтиллятора, могут приводить к иониза­ции и возбуждению атомов углерода, сопровождаемому сцинтилляциями (излуче­нием фотонов). Но возбуждение атомов происходит не всегда и количество сцин­тилляций (испускаемых фотонов) при этом мало и не превышает двух-трёх сотен. Оказавшиеся свободными электроны (из атомов водорода, ядра которых выбиты нейтронами) имеют почти нулевую кинетическую энергию и захватываются ато­мамиуглерода. Сцинтилляций при этом не возникает. Таким образом, сцинтилля­ции в данном интервале энергий нейтронов порождаются только протонами от­дачи. Поэтому интересно проследить, как изменяется количество протонов отдачи с изменением энергии бомбардирующих нейтронов. Эта зависимость для сцинтил­лятора толщиной 30 мм представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Зависимость количества протонов отдачи от энергии бомбардирующих нейтронов

Из него следует, что в диапазоне энергий нейтронов от тепловой и до 10 кэВ количество протонов отдачи монотонно и плавно уменьшается от 3,7 до 3,0 прото­нов на нейтрон (что связано с плавным уменьшением эффективности детектора, поскольку сечение взаимодействия нейтронов с ядрами атомов водорода на этом участке энергий практически постоянно).

А далее с ростом энергии нейтронов ко­личество протонов отдачи уменьшается более круто (что определяется снижением сечения взаимодействия нейтронов с ядрами атомов водорода - см. рисунок 2.4). Следовательно, резкий рост количества порождаемых фотонов на рисунке 2.2 не может происходить за счёт роста количества протонов отдачи. Причина состоит не в количестве порождаемых протонов отдачи, а в их энергии. Это подтверждается графиком зависимости интенсивности потока излучаемых фотонов (в относитель­ных единицах) от энергии протонов отдачи, представленным на рисунке 2.5. Расчёт проводился для сцинтиллятора толщиной 30 мм без добавки бора-10 (на верхнем рисунке интенсивность потока фотонов представлена в линейном масштабе, на нижнем - в логарифмическом). Здесь явно виден энергетический порог, начиная с

которого происходит быстрый рост количества порождаемых фотонов. Он соответ­ствует энергии протонов отдачи около 100 кэВ.

Рисунок 2.5 - Зависимость относительной интенсивности потока фотонов от энергии протонов отдачи (вверху в линейном масштабе, внизу в логарифмическом масштабе) для сцинтиллятора толщиной 30 мм

Анализ трассировки процессов, происходящих в сцинтилляторе толщиной 30 мм в этой области энергий, показал, что, при энергиях протонов отдачи свыше 100 кэВ, начинает происходить ионизация нейтральных атомов углерода с образова-

55 нием высокоэнергичных электронов (с кинетической энергией свыше 10 кэВ), ко­торые, тормозясь в веществе сцинтиллятора, и вызывают возбуждение атомов и до­полнительные сцинтилляции. С ростом энергии протонов отдачи число таких вы­сокоэнергичных электронов и их энергия быстро растут. Поэтому, несмотря на уменьшения количества порождаемых протонов отдачи на одни нейтрон, суммар­ное количество сцинтилляций, порождаемых протонами отдачи и высокоэнергич­ными электронами, быстро растёт.

Но всё это не объясняет сдвига пороговой энергии нейтронов, при которой начинается резкий рост количества сцинтилляций, при увеличении толщины сцин­тиллятора. Была выдвинута гипотеза, что этот сдвиг объясняется ухудшением све- тосбора при возрастании толщины сцинтиллятора. Для её проверки была рассчи­тана зависимость величины светосбора (отношение числа фотонов дошедших до заднего торца сцинтиллятора (вплотную прилегающего к фотокатоду ФЭУ) к числу образующихся в сцинтилляторе фотонов от нейтронов различных энергий. Эта за­висимость (в линеаризованном виде), подсчитанная для толщин сцинтиллятора 5, 10, 20 и 30 мм, представлена на рисунке 2.6. Из неё следует, что действительно, с ростом толщины сцинтиллятора светосбор ухудшается, что и приводит к сдвигу пороговой энергии нейтронов, с которой начинается крутой рост числа регистри­руемых нейтронов с ростом толщины сцинтиллятора.

Теперь возникает задача выбора порога дискриминации выходных импуль­сов детектора для отстройки от шумовых импульсов. Поскольку амплитуда выход­ных импульсов сцинтилляционных детекторов пропорциональна яркости вспышки, т. е. количеству фотонов, то, приняв максимальную амплитуду выходных импульсов равной ~5 В (это не сложно обеспечить подбором необходимого коэф­фициента усиления электронного усилителя, подключаемого к выходу ФЭУ), легко пересчитать зависимость интенсивности фотонов от энергии бомбардирующих нейтронов в соответствующую зависимость амплитуды импульсов выходного уси­лителя детектора. Для детекторов с толщинами сцинтиллятора 5, 10, 20 и 30 мм она приведена на рисунке 2.7 и 2.8 (в линейном и логарифмическом масштабах).

Рисунок 2.6 - Зависимость величины светосбора от толщины сцинтиллятора

Рисунок 2.7 - Зависимость амплитуды выходных импульсов детектора со сцинтиллятором без добавки 10B толщиной 5, 10, 20 и 30 мм от энергии нейтронов (линейный масштаб)

Рисунок 2.8 - Зависимость амплитуды выходных импульсов детектора со сцинтиллятором без добавки 10B толщиной 5, 10, 20 и 30 мм от энергии нейтронов (логарифмический масштаб)

Из рисунка 2.8 что собственные шумовые импульсы сцинтиллятора не пре­вышают 50 мВ. Сопоставляя этот рисунок с рисунком 2.3, можно видеть что этому уровню соответствует 500 фотонов в сцинтилляционной вспышке. а по техниче­ским характеристикам применяемых ФЭУ их собственные шумы не превышают 500 фотонов, что соответствует амплитудам импульсов 50 мВ. Следовательно, если установить уровень амплитудной дискриминации выходных импульсов детекторов равным 0,5 В, то будет обеспечено десятикратное превышение уровня дискрими­нации над уровнем шумов.

Но при таком пороге дискриминации детекторы с полистирольными сцин­тилляторами без добавления бора-10 не будут реагировать на нейтроны с энерги­ями от тепловой до 0,2...1,0 МэВ (в зависимости от толщины сцинтиллятора). Кроме того, границы регистрируемого интервала энергий нейтронов можно в опре­делённых пределах регулировать, изменяя порог дискриминации амплитуды им-

58 пульсов. Как будет показано далее, этот способ регулирования спектральных ха­рактеристик детекторов наиболее эффективен для детекторов со сцинтилляторами с добавлением бора-10.

2.3.3

<< | >>
Источник: ЛОГВИНОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДЕТЕКТОРНОГО НЕЙТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА-ДОЗИМЕТРА. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Курск, 2019. 2019

Еще по теме 2.3.2 Расчёт и исследование спектральных характеристик полистирольных детекторов без добавления в них бора-10:

  1. Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него бора-10
  2. 2.3.4 Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него 10B с фильтрующими покрытиями
  3. Методы расчёта спектральных характеристик нейтронных детекторов
  4. ГЛАВА 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ С РАЗНООБРАЗНЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
  5. Исследования спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с помощью моделирования методом Монте-Карло
  6. ГЛАВЕ 4 ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНЫХ НЕЙТРОННЫХ ПОЛЕЙ С РАЗНООБРАЗНОЙ ФОРМОЙ СПЕКТРОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
  7. ЛОГВИНОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДЕТЕКТОРНОГО НЕЙТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА-ДОЗИМЕТРА. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Курск, 2019, 2019
  8. Энергетические спектральные характеристики нейтронных детекторов и активационных индикаторов
  9. Способы получения сцинтилляционных нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками
  10. Предлагаемый метод экспериментального измерения спектральных характеристик нейтронных детекторов
  11. 2.3.1 Общая характеристика библиотеки программ GEANT-4 и условия проведения расчётов
  12. 4.3.3 Определение спектральной чувствительности нейтронных детекторов с низкой чувствительностью к тепловым нейтронам
  13. Формулировка целей и задач исследования
  14. Статья 11. Иностранные граждане и лица без гражданства на территории Беларуси пользуются правами и свободами и исполняют обязанности наравне с гражданами Республики Беларусь,
  15. Определение исходного множества детекторов и стратегии отбора
  16. Исследование способов создания опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров
  17. Наймушина Анна Николаевна. Диффузия культуры как предмет социально-философского исследования (на примере диффузии Анимэ в России). Диссертация. ИГТУ им. М.Т. Калашникова, 2015
  18. Основные виды нейтронных детекторов