Методика измерения угловых распределений выхода

УДК 539.16
А.В. Ильин 1, Г.С. Колядко 1, В.Г. Мадеев 1, А.В. Сакмаров 1, В.В. Целиков1.
1
РНЦ «Курчатовский институт».
МЕТОДОЛОГИИ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ВЫХОДА
Γ-ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ОБРАЗЦОВ, ОБЛУЧАЕМЫХ «НЕЙТРОННЫМ» ПУЧКОМ
установки ОРМ РНЦ «КИ».
Измерение угловых распределений выхода гамма-излучения из образцов, облучаемых
«нейтронным» пучком, является сложной оптимизационной задачей. Основной
характеристикой детектора для угловых измерений является коллимационная фигура, вид
которой (плато, площадь под склонами) в сильной степени определяют габариты
чувствительного объема детектора (длинна, диаметр). Погрешность результатов измерений
коллимированным детектором в сильной степени определяется отношением эффект/фон. В
условиях сильной нейтронной «нагрузки». в материалах коллиматор образуется вторичное
гамма-излучение, которое ухудшает соотношение эффект/фон. Основным материалом
коллимированного детектора является свинец. Исследования проведенные на установке ОРМ
РНЦ КИ показали, что в условиях облучения свинцых образцов «нейтронным» пучком,
вторичное излучение, генерируемое в реакции неупругого рассеяния.быстрых нейтронов,
создает значительный вклад в дозу регистрируемую детектором [1].
На рис 1 представлена схема эксперимента. Регистрация гамма излучения выходящего с
поверхности образца должна происходить со стационарной области «светящегося» пятна (5).
Это обеспечено за счет подбора апертуры коллиматора. Телесный угол коллимации составляет
10-2 стерадиан. При отработке характеристик коллимационной фигуры была применена
система секционирования лобовой защиты коллиматора (2). Такой принцип позволил погасить
рассеянное в коллимационном канале излучение и уменьшить площадь под склонами
коллимационной фигуры до 30%.
Специфика измерения углового выхода вторичного гамма излучения из исследуемых
образцов в том, что излучение выходящее с поверхности имеет маленькую интенсивность.
Поэтому необходимо было повысить чувствительность коллимированного детектора при
сохранении высокого углового разрешения методики. Повышение чувствительности[3]
приводит к увеличению габаритных размеров регистрирующего объема и как следствие,
искажению коллимационной фигуры. С использованием РНИ была проведена серия
экспериментов для оптимизации конструкции коллиматора. В результате этих экспериментов и
нейтронный пучок
d
«н-300»
n
Z
Θ
ρ
5
н ей тр о н ый
пуо
чк
н -3 0 »
«
си сл ед у
е мы
й
об
р аз ец
d
ца з
R
ρ
θ°
n
γ
1
2
3
γ
Rцаз=13,42 м
4
X
Исследуемый
образец
1 - детектор СИ-1Гу, 2 - коллиматор,
3 - телесный угол коллимации
детектора, 4 - «светящаяся» часть
выходной поверхности образца, 5 область
поверхности,
«просматриваемая»
коллимированным детектором, Rцаз
- расстояние от центра активной
зоны реактора.
Рисунок 1
Схема измерения
угловых распределений на
“нейтронном” пучке.
расчетного моделирования удалось на порядок увеличить чувствительность методики.
Параметры коллимационная фигуры детектора с использованием Г-М счетчика СИ1-Г (1)
близки к аналогичным параметрам коллимированного «точечного» детектора (СБМ-10) [4].
С другой стороны, использование массивного коллиматора и, как следствие, наличие
большой массы свинца вблизи детектора увеличивает фоновое гамма-излучение Nγ_vt_f,
рожденное в коллиматоре, и ухудшает соотношение эффект / фон. На данном этапе
экспериментов помимо оптимизированного уменьшения массы боковых защитных стенок,
использовалась усиленная лобовая защита коллиматора, которая выполнялась в виде системы
разнесенных диафрагм. Тяжелая передняя коллимирующая диафрагма максимально (на 135 мм)
удалялась от основного коллиматора, что позволило в значительной степени блокировать
фоновое гамма-излучение Nvt, рожденное в ней. Минимизация весогабаритных характеристик
свинцовой части коллиматора позволила усилить внешнюю водородосодержащую защиту
коллиматора из полиэтиленовых пластин с большим содержанием бора для ослабления потока
рассеянных нейтронов, падающих на свинцовые стенки коллиматора.
В процессе отработки методики угловых измерений и конструкции коллиматора была
проведена экспериментальная оценка величины вклада в фоновое излучение, регистрируемое
коллимированным детектором, от вторичного гамма-излучения, генерируемого в стенках
коллиматора в результате неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах свинца. Для этого
было проведено измерение угловой анизотропии проницаемости коллиматора в
мононаправленных «нейтронных» пучках излучений установки ОР-М, отличающихся
соотношением нейтронного и фотонного компонентов. В одном случае измерение проведено в
штатном «нейтронном» пучке «н-300», в другом – при установке на пути падающего пучка на
расстоянии (Rцаз) 11.57 м от центра активной зоны реактора дополнительного фильтра из
полиэтилена толщиной 180 мм (модифицированный пучок «н-300»). Дополнительный фильтр
более чем на порядок уменьшил поток быстрых нейтронов, при этом фотонный компонент
уменьшился в ~ 2 раза. Результаты измерений отклика детектора N(θ) при изменении угла
падения излучения на коллиматор в относительных (%) единицах показаны на рисунке 2.
120
"Fe - sc - 06"
коллиматор"ОП"
Отклик детектора, N, %
100
"н-300"
80
60
40
"н-300" + фильтр
(180 мм п.э.)
20
0
-180 -160 -140 -120 -100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Угол падения фотонов, Q, градус
Рисунок 2. Анизотропия проницаемости коллиматора детектора,
измеренная в мононаправленных "нейтронных" пучках с различным
соотношением нейтронного и фотонного компонентов.
Данные нормированы на значение величины отклика коллимированного детектора при
нормальном падении излучений N(θ=0°). Результаты измерения в модифицированном пучке
«н-300» поправлены на ослабление фотонного компонента дополнительным полиэтиленовым
фильтром. Из приведенных данных следует, что блокировка нейтронного компонента в
падающем на коллиматор пучке уменьшает примерно в 1,3 раза проницаемость коллиматора
практически во всем диапазоне углов падения излучений на коллиматор и это уменьшение
определяется изъятием вклада от вторичного гамма-излучения, генерируемого в свинцовых
стенках коллиматора.
Экспериментальные
исследования
оперативно
сопровождались
расчетным
моделированием исследуемых процессов с использованием кода MCNP-4b. Расчеты
проводилось авторами работы на вычислительном комплексе базовой кафедры МФТИ
«Моделирование ядерных процессов и технологий» при РНЦ «Курчатовский институт».
С помощью данной методики были проведены измерения анизотропии выхода
вторичного гамма излучения из образцов металлов, таких как, титан, железо различного
химического состава, свинец, вольфрам. Схема измерения приведена на рис 3. химического
состава, свинец, вольфрам. Схема измерения приведена на рис 3.
Образец
Изотропные
Детекторы
Линейный КМ
Угловой
позиционер
Коллимированный
детектор
Рис 3. Измерение угловых характеристик выхода вторичного гамма излучения на
Литература
1. Абрамов А.И, Казанский Ю. А, Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной
физики. Атомиздат, Москва 1970г.
2. Коротеев А.А, Мадеев В.Г. Безопасность эксплуатации ядерных реакторных установок.
Издательство МАИ, Москва 2001 г.
3. Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. Издательство "Наука",
Москва 1966г.
4. Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. Энергоатомиздат Москва 1987г.