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 для48 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
Еще по теме Методы расчёта спектральных характеристик нейтронных детекторов:
- ГЛАВА 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ С РАЗНООБРАЗНЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
- Предлагаемый метод экспериментального измерения спектральных характеристик нейтронных детекторов
- 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
- Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него бора-10
- 2.3.2 Расчёт и исследование спектральных характеристик полистирольных детекторов без добавления в них бора-10
- Способы получения сцинтилляционных нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками
- 2.3.4 Расчёт спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с полистирольным сцинтиллятором с добавлением в него 10B с фильтрующими покрытиями
- Энергетические спектральные характеристики нейтронных детекторов и активационных индикаторов
- Исследования спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов с помощью моделирования методом Монте-Карло
- ГЛАВЕ 4 ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНЫХ НЕЙТРОННЫХ ПОЛЕЙ С РАЗНООБРАЗНОЙ ФОРМОЙ СПЕКТРОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
- 4.3.3 Определение спектральной чувствительности нейтронных детекторов с низкой чувствительностью к тепловым нейтронам
- 2.3.1 Общая характеристика библиотеки программ GEANT-4 и условия проведения расчётов
- Основные методы спектрометрии нейтронного излучения