Д.И. Логвинов, А.А. Гримов

Юго-западный государственный университет

Моделирование спектральных характеристик детекторов нейтронного излучения

Основная проблема при измерении интегральной плотности нейтронного потока состоит в том, что не существует детекторов, имеющих одинаковую чувствительность к нейтронам любых энергий. В связи с этим, все выпускаемые нейтронные радиометры и дозиметры калибруются по образцовым источникам нейтронного излучения и их погрешности нормируются относительно излучений этих источников. При неизвестном энергетическом спектре измеряемого нейтронного потока это может приводить к непредсказуемому увеличению погрешностей. Радикальным средством исключения этих погрешностей является переход к спектрометрическим измерениям с вычислительным восстановлением интегральной плотности измеряемого потока путём интегрирования его спектральной плотности по всему диапазону энергии. Основными методами определения энергетического спектра нейтронных потоков в настоящее время является активационный анализ и метод, использующий многошаровые спектрометры Боннера. По сути это лабораторные методы исследования и они неприменимы для измерения спектров нейтронов в реальном масштабе времени.

Авторами предложена новая концепция построения нейтронного спектрометра реального времени [1], обеспечивающего перекрытие диапазона энергий измеряемых потоков нейтронов от 0,025 эВ до 25 МэВ с последующей обработкой получаемой от них информации с помощью предварительно обученной нейронной сети с целью вычислительного восстановления энергетического спектра измеряемого излучения, новизна которой подтверждена полученным патентом на изобретение [2]. Данная работа посвящена решению одной из проблем, возникших при разработке такого спектрометра.

В данной работе поставлена задача отбора оптимальной совокупности нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками для многодетекторного блока детектирование создаваемого нейтронного спектрометра. Однако производители нейтронных детекторов не приводят информации об их спектральной чувствительности, поскольку для её измерения необходимо располагать источником моноэнергетического нейтронного излучения с регулируемой энергией во всём исследуемом диапазоне или широкодиапазонным спектрометром нейтронного излучения. Ни того, ни другого нет. Поэтому необходимо либо разрабатывать собственную методику и средства для экспериментального исследования спектральной чувствительности нейтронных детекторов, либо получать эти зависимости расчётным путём. В данной работе исследуется второй путь.

Спектральные характеристики детекторов определяются не только зависимостями сечений реакций с нейтронами активного вещества детекторов от их энергии, но и сильной зависимостью эффективности любого нейтронного детектора с ограниченными размерами объёма активного вещества от энергии нейтронов, что определяется возрастанием длины пробега нейтронов в веществе с ростом его энергии. Это позволяет активно воздействовать на спектральные характеристики нейтронных детекторов путём изменения геометрических размеров активного вещества детектора. Эти обстоятельства повышают возможности получения нейтронных детекторов с желаемыми спектральными характеристиками. Среди всех типов детекторов наиболее существенными преимуществами обладают сцинтилляционные детекторы. Они имеют более высокую эффективность, чем газонаполненные, больший срок службы, на два-три порядка более высокое быстродействие. Но основное их достоинство в том, что они позволяют воздействовать на форму спектральной характеристики путём варьирования толщины сцинтиллятора.

Эффективность ε сцинтилляционных детекторов для параллельного пучка нейтронов, нормально падающего на сцинтиллятор толщиной δ, может быть вычислена как

(1)

где N – ядерная плотность активного вещества детектора;

δ – толщина детектора;

σ_s(Е) – сечение реакции с веществом в зависимости от энергии нейтронов.

Поскольку неорганические сцинтилляторы имеют ряд недостатков от них решено отказаться. Сцинтилляторы на основе органических пластмасс являются эффективными замедлителями нейтронов, поскольку содержат много атомов водорода и углерода. Кроме того, на атомах водорода будут происходить реакции с нейтронами с выбиванием протонов отдачи. Поэтому такие сцинтилляторы должны обладать большей чувствительностью к надтепловым нейтронам, чем литиевые стёкла, и крутизна спада при росте энергии нейтронов у них должна быть меньше. Учесть влияние атомов углерода можно, используя следующее выражение:

(2)

где δ – толщина детектора;

σ_H(Е), σ_С(Е) – сечение реакции с водородом и углеродом;

n_H, n_C – ядерная плотность водорода и углерода.

(3)

n_H, n_C, n_В– ядерная плотность водорода, углерода и бора-10;

δ – толщина детектора;

σ_H(Е), σ_H(Е), σ_В(Е) – сечение реакции с водородом , углеродом и бором-10;

Так как на данный момент не представляется возможным экспериментально проверить вышеуказанный метод расчета в связи с отсутвием спектрометра, было решено провести моделирование спектральных характеристик детекторов с помощью программы Geant4, широко применяемую для решения задач взаимодействия различного рода излучения с веществом. Для сцинтилляционных детекторов на основе полистирола без добавок и полистирола с добавками 5% бора-10 по массе были проведены расчеты с помощью данной программы. Как видно из рисунка 1 результаты оценочного расчета спектральных характеристик детекторов нейтронного излучения хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью программы Geant4 для детекторов на основе чистого полистирола. Однако в случае добавления 5% бора-10 по массе появляются небольшие различия в спектральных характеристиках. Это происходит, по всей видимости, за счет того, что в расчете учтены не все факторы.

ε,%

Энергия, МэВ

Рисунок 1. Зависимость эффективности детектора на основе чистого полистирола, полученная с помощью оценочного расчета (пунктирные линии) и с помощью Geant4 от энергии нейтронов в диапазоне от 0,025эВ до 25МэВ для различной толщины детектора с диаметром 2см

Для их учета было решено ввести поправочный коэффициент в параметр, ответственный за наличие бора-10 в веществе. Зависимость эффективности примет следующий вид:

(4)

n_H, n_C, n_В– ядерная плотность водорода, углерода и бора-10;

δ – толщина детектора;

σ_H(Е), σ_H(Е), σ_В(Е) – сечение реакции с водородом , углеродом и бором-10;

На основе оценочных расчетов спектральных характеристик детекторов был проведен предварительный отбор детекторов нейтронного излучения. В этот состав входит 5 сцинтилляционных детекторов, три из которых используют полистирольные сцинтилляторы с добавлением бора-10 толщиной 5, 10 и 50 мм, один из чистого полистирола толщиной от 30 до 50 мм и один из чистого полистирола с кадмиевым чехлом. Конечно, проведенные расчёты являются лишь оценочными. В них не учитывались эффекты замедления нейтронов в сцинтилляторе, рассеяния нейтронов с вылетом за пределы сцинтиллятора, световые потери в сцинтилляторе и некоторые другие эффекты, связанные с конструкцией детектора. Однако при выбранных толщинах сцинтилляторов эти эффекты не могут привести к существенным изменениям спектральной чувствительности. Тем не менее, неизбежным этапом работы являются экспериментальные исследования спектральных характеристик отобранных детекторов.

Литература:

1. Дрейзин В. Э. Нейтронная спектрометрия: концепция построения нейтронного спектрометра реального времени //АНРИ, 2010, № 4. С. 2-8.

2. Патент РФ № 2390800 с приоритетом от 16.04.2008: способ и устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потока нейтронов, опубл. 27.05.2010. Дрейзин В.Э., Овсянников Ю.А., Поляков В.Г., Катыхин А.И., Полищук И.В.

3. Отчёт о научно-исследовательской работе по теме 2009-1.1-226-012 «Создание нового поколения спектрометрических приборов измерения ионизирующих излучений и дозиметрического контроля и систем жизнеобеспечения спецобъектов с ядерными реакторами на их основе» (промежуточный по 3-му этапу), ЮЗГУ, Курск, 2010. 232 с.