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.

(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].

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.

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.

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.

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

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