<<
>>

Методы расчёта спектральных характеристик нейтронных детекторов

Как уже говорилось ранее, одной из существенных проблем создания нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени является отсутствие ме­тодов и средств измерения спектральных характеристик нейтронных детекторов, что является одной из главных причин того, что концепция построения многоде­текторного спектрометра-дозиметра реального времени до сих пор не была реали­зована. Это ставит задачу разработки расчётного и/или экспериментального метода их определения. В данной главе рассматривается возможный расчётный метод.

В принципе, здесь возможны два подхода: макроскопический и микроскопи­ческий. Макроскопический подход базируется на известных зависимостях сечений разнообразных реакций нейтронов с активным веществом детектора от энергии нейтронов и на зависимости его отклика от геометрических размеров активного ве­щества детектора, что связано с возрастанием длины свободного пробега нейтро­нов в веществе с увеличением их энергии. Любой детектор ядерных частиц или фотонов характеризуется вероятностью регистрации (т. е. создания на выходе де­тектора электрического импульса, величина которого достаточна для его регистра­ции дальнейшей электронной схемой) при попадании частицы или фотона в детек­тор. Эта вероятность определяется эффективностью детектора ε, которая пред­ставляет собой отношение числа электрических импульсов, зарегистрированных на выходе детектора в единицу времени, к числу частиц, попавших в детектор за

45 то же время. Эффективность регистрации является функцией как энергии и вида исследуемого излучения, так и типа детектора и размеров его активного вещества.

Одним из важных достоинств сцинтилляционных детекторов является воз­можность управления эффективностью детектора путём изменения геометриче­ских размеров сцинтиллятора. В литературе (например, [15]) можно встретить вы­ражение для эффективности ε сцинтилляционных детекторов для параллельного пучка нейтронов, нормально падающего на сцинтиллятор толщиной δ (1.1).

Зависимости σs(E)для различных частиц представлены в базах данных Nuclear Data Centres Network [51].

Для расчёта концентрации ядер веществ, присутствующих в 1 см3 сцинтил­лятора, используется следующая зависимость:

где M- молярная масса вещества;

n- количество атомов вещества в одной молекуле;

ρ - плотность материала сцинтиллятора (для полистирола 1,05 г/см3);

Na- число Авогадро (число атомов в одном моле вещества).

Из выражения (1.1) видно, что спектральную характеристику детектора можно регулировать путём изменения толщины сцинтиллятора.

Однако данное выражение не учитывает зависимость регистрации вторич­ных частиц - протонов отдачи, от их энергии. В действительности, заметное число сцинтилляций, которое уверенно регистрируется детектором, возникает лишь от протонов отдачи с энергией больше 200 кэВ. Следовательно, выражение (1.1) мо­жет использоваться лишь для быстрых нейтронов с энергией более 200 кэВ.

Достоинство данного подхода - простота реализации. Наиболее важным его недостатком является то, что сечение взаимодействия определяет его вероятность, но не выделившуюся в результате такого взаимодействия энергию. А именно от величины выделившейся энергии зависит выходной сигнал детектора.

В сцинтил­ляционных детекторах энергия протонов отдачи не связана однозначно с энергией бомбардирующего нейтрона, т. к. зависит и от угла столкновения нейтрона с ядром

атома водорода [43]. Лишь при лобовых столкновениях (нулевой угол столкнове­ния) нейтрон всю свою энергию передаёт протону. На рисунке 2.1 продемонстри­рован результат моделирования взаимодействия 1 млн. нейтронов с энергией 1 МэВ в полистироле толщиной 5 мм (количество протонов отдачи много больше количества бомбардирующих нейтронов, поскольку при ненулевых углах столкно­вений рассеянные нейтроны испытывают повторные столкновения с ядрами ато­мов водорода, пока не израсходуют всю свою кинетическую энергию).

Рисунок 2.1 - Распределение энергии протона при взаимодействии нейтронов с энергией 1 МэВ с водородосодержащим веществом, полученное с помощью библиотеки программ GEANT4

Кроме того, не каждый импульс, появляющийся на выходе детектора, может быть зарегистрирован, поскольку любые детекторы характеризуются каким-то уровнем шумов. От их влияния избавляются путём амплитудной дискриминации с каким-то порогом, заведомо превышающим максимально возможную амплитуду шумовых импульсов. А это означает, что если амплитуда импульсов от каких-то ядерных частиц будет ниже этого порога, то эти импульсы не будут зарегистриро­ваны. Всё это ограничивает возможности макроскопического подхода к расчёту спектральных характеристик нейтронных детекторов.

Наиболее универсальным и точным методом моделирования переноса излу­чения через вещество является имитационный метод статистического моделирова­ния (Монте-Карло), базирующийся на микроскопическом подходе. Данный метод моделирования широко применяется в ядерной физике в практических расчётах пе­реноса излучения при проектировании ядерных реакторов и других ядерных уста­новок, включая и процессы взаимодействия излучения с веществом детектора с об­разованием на его выходе аппаратурного спектра излучения. На основе этого ме­тода создано несколько пакетов прикладных программ, наиболее универсальным из которых является GEANT4 - библиотека программ, созданная большим между­народным коллективом физиков и программистов под эгидой ЦЕРН. Свое развитие пакет начал в 70-х годах прошлого столетия и с тех пор регулярно расширялся, об­новлялся и совершенствовался. Необходимость появления такого пакета была про­диктована увеличением сложности экспериментальных задач в ядерной физике и при проектировании различных ядерных установок. Программный комплекс GEANT-4 выбран, поскольку является наиболее универсальным, доступным (нахо­дится в свободном доступе) и регулярно совершенствуемым пакетом программ. Кроме него существует ряд других программных пакетов, построенных по анало­гичному принципу (MCNPX- Monte-Carlo N-Particle Transport Code, MARS, CALOR95, CORSIKA, AIRES и другие), однако большинство из них являются ком­мерческими продуктами и закрыты для свободного использования. Хотя наиболее точным для расчётов нейтронных взаимодействий считается программный ком­плекс MCNPX, но специально проведенное исследование по сравнению результа­тов расчётов с помощью MCNPX и GEANT4 [43], показали хорошее согласование между ними - в пределах 3-5 % при оценке отклика детектора в энергетическом диапазоне от 0,025 эВ до 20 МэВ и в пределах 1 % для диапазона энергий от 100 эВ до 5 МэВ. А для оценки точности этих программных комплексов в той же работе было проведено сравнение симуляций спектра источника 252Cf из стандарта ISO- 8529 252Cf [7]. Для программного комплекса MCNPX рассогласование составляет 2,2-2,5 %, для GEANT-4 - 5,3-6,5%. Таким образом, использование GEANT-4 для расчётов спектров опорных нейтронных полей обеспечивает достаточную для

48 практики точность и позволяет рассчитывать спектры не только нейтронной, но и гамма-составляющих смешанного излучения [45].

Пакет включает в себя полный диапазон функций для задания геометрии си­стемы, частиц и процессов взаимодействия.

Набор реализованных процессов взаимодействия весьма обширен и вклю­чает в себя электромагнитные, адронные и оптические процессы, процессы рас­пада, процессы эволюции короткоживущих частиц в широком диапазоне энергий. Пакет позволяет задавать весьма сложную геометрию системы. Пакет создан с ис­пользованием объектно-ориентированной технологии и реализован на языке про­граммирования C++. GEANT4 является свободным программным обеспечением. Множество источников информации о нем, а также его исходные коды находятся на официальном веб-сайте [53,54].

Достоинством микроскопического подхода является его высокая точность, если правильно заданы геометрия измерений, состав и размеры детектора и его конструктивные особенности. Но он очень трудоёмок, и для его реализации затра­чиваются большие вычислительные ресурсы. В процессе моделирования отслежи­вается судьба каждой частицы, её энергия, импульс, направление и т. д. Но микро­подход может дать ложные результаты, если недостаточно точно учтены все осо­бенности геометрии измерений и конструкции детектора. Поэтому при расчёте этим методом очень важно найти компромисс между детальностью описания гео­метрии измерений и конструкции детектора и затратами вычислительных ресурсов при моделировании.

2.3

<< | >>
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 Методы расчёта спектральных характеристик нейтронных детекторов:

  1. ГЛАВА 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ С РАЗНООБРАЗНЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
  2. Предлагаемый метод экспериментального измерения спектральных характеристик нейтронных детекторов
  3. 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
  4. Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него бора-10
  5. 2.3.2 Расчёт и исследование спектральных характеристик полистирольных детекторов без добавления в них бора-10
  6. Способы получения сцинтилляционных нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками
  7. 2.3.4 Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него 10B с фильтрующими покрытиями
  8. Энергетические спектральные характеристики нейтронных детекторов и активационных индикаторов
  9. Исследования спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с помощью моделирования методом Монте-Карло
  10. ГЛАВЕ 4 ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНЫХ НЕЙТРОННЫХ ПОЛЕЙ С РАЗНООБРАЗНОЙ ФОРМОЙ СПЕКТРОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
  11. 4.3.3 Определение спектральной чувствительности нейтронных детекторов с низкой чувствительностью к тепловым нейтронам
  12. 2.3.1 Общая характеристика библиотеки программ GEANT-4 и условия проведения расчётов
  13. Основные методы спектрометрии нейтронного излучения