<<
>>

Исследование способов создания опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров

Калибровать нейтронный радиометр с использованием источника с какой-то одной формой спектра, как это делается в настоящее время, неправомерно, по­скольку не существует нейтронных детекторов имеющих одинаковою чувствитель­ность к нейтронам любых энергий, а, значит, показания такого радиометра (а, тем более, дозиметра) будут зависеть от спектрального состава измеряемого потока. А учитывая, что энергетический диапазон нейтронных потоков, с которыми прихо­дится иметь дело в практических измерениях, простирается от 0,025 эВ до 20 МэВ

(шириной в 9 порядков), а вариабельность их спектрального состава весьма высока (как это можно видеть из базовых спектров, приведенных в Приложении 1), энер­гетические погрешности радиометров могут в разы и даже десятки раз превосхо­дить их паспортные погрешности, которые определены для спектра конкретного потока той поверочной установки, на которой проводилась калибровка данного прибора.

Для нейтронных дозиметров эта погрешность возрастает ещё сильнее, по­скольку добавляется влияние коэффициента, определяющего биологическое дей­ствие нейтронного излучения, который в зависимости от энергии нейтронов может изменяться в десятки раз [50, 74, 75]. Тем более недопустима калибровка нейтрон­ных спектрометров-дозиметров на установке с одной единственной формой спек­тра. Поэтому для калибровки нейтронных спектрометров-дозиметров должна быть создана поверочная установка, позволяющая создавать опорные нейтронные поля с различными и достоверно известными формами энергетических спектров. Ис­пользовать для такой установки достаточное количество первичных источников нейтронов с различной формой спектров проблематично. В лучшем случае, можно использовать два-три первичных источника. Поэтому необходимо от одного пер­вичного источника получать опорные поля с различной формой спектра. В прин­ципе этот путь уже давно применяется в многошаровых спектрометрах с замедли­телями нейтронов различной толщины [32-34, 84-94]. Но там эти сферы различных диаметров из водородсодержащего материала, последовательно надеваемые на один и тот же детектор, используются для получения различных спектральных ха­рактеристик этого детектора в комплекте с каждой из этих сфер. Хотя для самого детектора это равнозначно тому, что он последовательно помещается в поля с раз­личной формой спектра. Но для поверки многодетекторного спектрометра-дози­метра такой метод неприемлем. Поэтому были проведены исследования по полу­чению опорных нейтронных полей с различной формой спектров от одного пер­вичного источника и разработки соответствующей установки, пригодной и для проведения поверки разрабатываемого многодетекторного спектрометра-дози­метра, и для экспериментального исследования спектральных характеристик

95 нейтронных детекторов, и для определения энергетических погрешностей нейтрон­ных радиометров и дозиметров, использующих радиометрический принцип изме­рения.

Первый этап исследований состоял в расчёте спектров нейтронных полей от Pu-Be источника с использованием полиэтиленовых замедлителей в виде конусов различной толщины, поскольку такой метод замедления нейтронов рекомендован в ГОСТ 8.355-79 «Радиометры нейтронов. Методы и средства поверки» [70]. Для экспериментальной проверки этого способа был изготовлен из полиэтилена состав­ной замедляющий конус с регулируемой толщиной, состоящий из 9 секций, первая из которых имела толщину 20 мм, а остальные по 50 мм (см.

фото на рисунке 4.4).

Однако и расчёты с использованием GEANT4, и результаты эксперименталь­ных исследований показали полную непригодность для этих целей данного способа замедления потока нейтронов от источника в открытой геометрии [72].

Во всех случаях с ростом толщины замедляющего конуса наблюдалось лишь уменьшение величины потока, падающего на детектор, за счёт его интенсивного рассеяния в замедляющем конусе. Оказалось также, что существенную часть до­стигающего детектора потока составляют рассеянные нейтроны, вторично отра­жённые от стен, пола и потолка помещения. При этом толщина замедляющего ко­нуса не оказывает существенного влияния на количество таких отражённых нейтронов, достигающих детектора, поскольку подавляющая часть первичного по­тока нейтронов рассеивается непосредственно от источника и на первой секции ко­нуса толщиной 20 мм. Такое положение будет приводить к тому, что форма спектра потока, достигающего детектора, меняется очень незначительно, поскольку замед­ленные конусом нейтроны рассеиваются во все стороны и не достигают детектора.

Устранить влияние рассеянных нейтронов можно путём экранирования ис­точника и детектора пластинами полиэтилена достаточной толщины. Для проверки эффективности этого метода было проведено его имитационное моделирование с помощью библиотеки программ GEANT4, результаты которого изложены в [39].

Рисунок 4.4 - Составной замедляющий конус, установленный на поверочную нейтронную установку ИЛ-1

В качестве детектора использовался трёхканальный блок детектирования БДКС-05С нейтронного радиометра МКС-03С [95-96], представляющий собой по­лиэтиленовый шар диаметром 22 см, в который на разную глубину погружены нейтронные коронные детекторы на гелии-3, образующие 3 измерительных канала. Канал измерения быстрых нейтронов образуется детектором, расположенным в центре шара, канал измерения промежуточных нейтронов двумя детекторами, по­груженными на меньшую глубину и расположенными симметрично относительно центра шара и в другой диаметральной плоскости, и канал измерения тепловых нейтронов образован ещё двумя детекторами, расположенными вблизи периферии шара.

Геометрия расположения источника, детектора, замедляющего конуса и экранов показана на рисунке 4.5 (на этом рисунке боковые пластины экранов сде­ланы невидимыми, чтобы можно было демонстрировать траектории движения нейтронов в экранированной области). С целью определения необходимой тол­щины экранов были проведены расчёты потоков нейтронов, достигающих детек­тора, без замедляющего конуса при различной толщине пластин экрана источника и детектора.

Рисунок 4.5 - Треки нейтронов при наличии экранов источника и детектора с замедляющим конусом (экраны из полиэтиленовых пластин толщиной

4 см, расстояние между источником и детектором 100 см)

Расчёты проводились для толщин экрана источника и детектора 10, 20, 40, 80, 150 и 200 мм. Результаты приведены на рисунке 4.6. Из него следует, что с уве­личением толщины экранов поток нейтронов, достигающих детектора, растёт, за счёт их отражения в сторону детектора. При этом, конечно, главную роль здесь иг­рает экран источника. Наиболее крутой рост этой зависимости происходит при ро­сте толщины экрана до 40 мм. Но нас больше интересует не интегральная величина потока, а его энергетический спектр.

Поскольку рост потока при экранировании источника обусловлен нейтронами, рассеянными экраном источника под боль­шими углами, то эти нейтроны должны потерять значительную часть своей энер­гии. Поэтому доля замедленных нейтронов, регистрируемых детектором, должна возрасти. Результаты расчётов получаемых спектров для разных толщин замедля­ющего конуса, приведенные на рисунке 4.7, это подтверждают (поскольку плот­ность потока, достигающего детектора, даже при запуске миллиона нейтронов низка, то для сглаживания стохастичности получаемых спектров использовались сплайны Акимы).

Рисунок 4.6- Зависимость величины потока нейтронов, достигающего

детектора, от толщины экранирующих пластин источника

Из данного рисунка видно, что за счёт нейтронов, отражённых экраном источ­ника, существенно выросла доля тепловых и промежуточных нейтронов, и с ростом толщины экранирующих пластин, в основном, возрастает именно тепловая состав­ляющая спектра, а высокоэнергичная составляющая изменяется незначительно. При увеличении толщины экрана от 1 до 8 см количество тепловых нейтронов резко возрастает и при толщине 15 см тепловой пик достигает максимума, сравни­ваясь по величине с пиком быстрых нейтронов. Следовательно, экранирование ис­точника является весьма эффективным средством трансформации спектра источ­ника быстрых нейтронов с появлением весьма существенной доли тепловых и про­межуточных нейтронов.

Дополнительное деформирование (в основном, высокоэнергичной части спектра) можно получить путём помещения между источником нейтронов и детек­тором замедляющего конуса. Результаты моделирования для случая постоянной толщины экрана равной 40 мм и различных толщин замедляющего конуса (от 20 до 220 мм) представлены на рисунке 4.8. Из него следует, что изменение толщины замедляющего конуса эффективно влияет на высокоэнергичную часть спектра. При этом, увеличивать толщину конуса свыше 170 мм смысла нет.

Рисунок 4.7 - Спектры потоков нейтронов, достигающих детектора, при различных толщинах экранирующих пластин источника и детектора

Следующий этап исследований заключался в экспериментальной проверке результатов моделирования. Для этого необходимо было изготовить соответству­ющую оснастку для испытательной установки. Выполнить экраны источника в виде пластин, как было показано на рисунке 4.5, оказалось невозможным без ко­ренной переделки испытательного стенда. Поэтому был проведен поиск наиболее удобных способов экранирования источника, не требующих переделки конструк­ции испытательного стенда. С помощью имитационного моделирования с исполь­зованием библиотеки программ GEANT4 было исследовано несколько различных вариантов конструкций устройств экранирования. Наиболее приемлемым оказа­лось использование полиэтиленового отражателя с конусной выемкой, по центру которой должен размещаться источник. Вплотную к отражателю устанавливается цилиндрический экран в виде трубы из полиэтилена и парафина длиной 200 мм с внутренним диаметром 95 мм и наружным диаметром 135 мм. Конструкция изго­товленной оснастки представлена на фотографии - рисунок 4.9).

Рисунок 4.8 - Спектры потоков нейтронов, достигающих детектора, при различ­ных толщинах замедляющего конуса с использованием экранов для источника и детектора толщиной 4 см

Рисунок 4.9 - Экранирующая система источника, состоящая из отражателя нейтронов и экранирующей трубы

Для вышеуказанной геометрии измерений с помощью библиотеки программ

GEANT4 были промоделированы изменения общего потока нейтронов, достигаю-

101 щего детектора, и его тепловой, промежуточной и быстрой составляющих (в соот­ветствии с тремя измерительными каналами блока детектирования БДКС-05С, ко­торый использовался при проведении экспериментальных исследований) при “го­лом” источнике, наличии отражателя нейтронов и всей системы экранирования (от­ражатель плюс экранирующая труба).

Поскольку функции преобразования каждого канала блока детектирования БДКС-05С неизвестны (неизвестно, какая часть нейтронов соответствующего диа­пазона энергий, вошедших в замедляющую сферу, регистрируется каждым кана­лом), то нас будут интересовать лишь относительные изменения регистрируемых потоков при использовании отражателя и экрана. Поэтому начальные точки (для «голого» источника) по результатам расчёта и по результатам эксперимента совме­щены. Полученные результаты приведены в таблице 4.2. Из неё следует, что наибольший вклад в приращение потока, достигающего детектора, вносит отража­тель нейтронов - по суммарному потоку: 15,4 % по результатам расчёта и 23,1 % по результатам эксперимента; а экранирующая труба добавляет лишь 3 и 4 % соот­ветственно. При этом, как и ожидалось, наиболее существенно увеличивается доля тепловых нейтронов.

Таблица 4.2 - Сопоставление расчётных и экспериментальных изменений потока нейтронов, достигающих детектора при различной геометрии измерений

Г еометрия измерений Голый источ­ник, % Отражатель

%

Экран в сборе

%

Суммарный

Поток

Расчёт (GEANT-4) 100 115,4 118
Эксперимент 100 123,1 127,2
Тепловые нейтроны GEANT 100 123,2 125,6
Эксперимент 100 133,6 138,7
Промежут.

Нейтроны

GEANT 100 115,6 116,4
Эксперимент 100 124,4 127
Быстрые нейтроны GEANT 100 119,3 111,2
Эксперимент 100 117,4 122,7

Расхождения между результатами расчёта и эксперимента относительно не­велики (в среднем порядка 10 %) и объясняются влиянием рассеянных нейтронов, вторично отражённых от стен, пола и потолка помещения, поскольку экранировать

блок детектирования не удалось ввиду его больших размеров, а источник тоже экранирован не полностью, т. к. в отражателе пришлось сделать вертикальный вы­рез под трубу, в которую опускается источник и дополнительный вырез под сто­порное устройство, фиксирующее рабочее положение источника в трубе. В данном случае эти расхождения не имеют принципиального значения, поскольку основной целью является исследование формы получаемых спектров.

На рисунке 4.10 представлены расчётные спектры нейтронных потоков для «голого» источника, источника с отражателем нейтронов и для экранирующей си­стемы в сборе.

Рисунок 4.10 - Энергетические спектры потоков нейтронов, достигших детектора, при «голом» источнике, источнике с отражателем и для экрана в сборе

Из него следует, что уже при «голом» источнике в спектре появляется от­чётливый пик тепловых нейтронов (свыше 20 % от высоты пика быстрых нейтро­нов) и заметная доля промежуточных нейтронов, примерно равномерно распреде­лённых по всему промежуточному диапазону энергий. Это как раз и обусловлено

рассеянными нейтронами, вторично отражёнными от стен, пола и потолка помеще­ния. Отражатель нейтронов существенно (до 30 % по максимуму теплового пика) увеличивает тепловую составляющую. В среднем в полтора раза увеличивается и промежуточная составляющая, в то время как высокоэнергичная часть спектра су­щественно не изменяется, поскольку определяется прямыми нейтронами от источ­ника. Дальнейшая деформация спектра осуществлялась с помощью изготовленных из парафина замедляющих дисков разной толщины, вставляемых в экранирующую трубу. Расчётные спектры для дисков толщиной 0 мм (нет дисков), 20, 50, 80, 130 и 180 мм представлены на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 - Энергетические спектры потоков нейтронов, достигших детектора, с экранированием источника и замедляющими дисками различной толщины

Расчётные и эеспериментальные зависимости тепловой, промежуточной и быстрой составляющих нейтронного потока от толщины замедляющих дисков представлены на рисунках 4.12 - 4.14. Экспериментальные зависимости получены с использованием трёхканального блока детектирования БДКС-05С, а расчётные

путём моделирования с использованием билиотеки программ GEANT4 для геометрии измерений, максимально приближенной к реальной геометрии данной установки. Рассчитывались потоки тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов, достигающие блока детектирования в виде шара диаметром 220 мм. При этом начальные точки этих зависимостей для расчётных и экспериментальных данных совмещены, поскольку в данном случае исследуются не абсолютные значения потоков, а влияние на них замедляющих дисков.

Сравнение расчетной и экпериментально полученной интенсивностей излучения

Рисунок 4.12 - Зависимость относительной интенсивности потока нейтронов от суммарной толщины дисков по тепловой составляющей

Максимальная разница между расчетами в GEANT-4 и экспериментом по тепловому каналу составила 11 % (сказывается воздействие рассеянных нейтронов, вторично отражаемых от стен пола и потолка помещения, существенную долю ко­торых составляют тепловые нейтроны). По промежуточному каналу максимальная разница составляет 5,2 %, по быстрому каналу - 2,5 %.

Сравнение расчетной и экпериментально полученной интенсивностей излучения

Рисунок 4.13 - Зависимость относительной интенсивности потока нейтронов от суммарной толщины дисков по промежуточной составляющей

Сравнение расчетной и экпериментально полученной

Рисунок 4.14 - Зависимость относительной интенсивности потока нейтронов от суммарной толщины дисков по быстрой составляющей

Как следует из этих рисунков, результаты моделирования в GEANT4 до­вольно хорошо согласуются с результатами эксперимента. Косвенно это свидетель­ствует о достоверности расчётов спектров, получаемых на данной установке.

4.3

<< | >>
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 Исследование способов создания опорных нейтронных полей с различной формой энергетических спектров:

  1. ГЛАВЕ 4 ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНЫХ НЕЙТРОННЫХ ПОЛЕЙ С РАЗНООБРАЗНОЙ ФОРМОЙ СПЕКТРОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
  2. Способы получения сцинтилляционных нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками
  3. Базовые спектры нейтронных потоков для формирования обучающей и проверочной выборок
  4. Энергетические спектральные характеристики нейтронных детекторов и активационных индикаторов
  5. Выбор энергетических интервалов, для которых определяются усреднённые значения спектральной плотности нейтронного излучения
  6. 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
  7. Формулировка целей и задач исследования
  8. 4.3.3 Определение спектральной чувствительности нейтронных детекторов с низкой чувствительностью к тепловым нейтронам
  9. Статья 41. Гражданам Республики Беларусь гарантируется право на труд как наиболее достойный способ самоутверждения человека,
  10. Статья 124. Компетенция, порядок создания и деятельности органов местного управления и
  11. 2.3.2 Расчёт и исследование спектральных характеристик полистирольных детекторов без добавления в них бора-10
  12. Фирун Константин Борисович. СОЗДАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ НА БАЗЕ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ И ГОЛОСА. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПбГУ., 2015
  13. Концепция построения спектрометра-дозиметра нейтронного излучения реального времени
  14. Исследования спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с помощью моделирования методом Монте-Карло
  15. Статья 59. Государство обязано принимать все доступные ему меры для создания внутреннего и международного порядка, необходимого для полного осуществления прав и свобод граждан Республики Беларусь, предусмотренных Конституцией.
  16. Наймушина Анна Николаевна. Диффузия культуры как предмет социально-философского исследования (на примере диффузии Анимэ в России). Диссертация. ИГТУ им. М.Т. Калашникова, 2015
  17. Первичные источники нейтронов
  18. Основные методы спектрометрии нейтронного излучения