Исследование возможности применения линейных ускорителей ионов водорода для нейтронно-активационного анализа по короткоживущим нуклидам тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

. , О «¡1 5 А г.'«л я *Р.Т7

i ' (i !--научно-исследовательскии институт

электрофизической аппаратуры им. д.в.ефремова

На правах рукописи

/

сидоров александр владимирович

исследование возможности применения линейных ускорителей ионов водорода для нейтронно-активационного анализа по короткоживущим нуклидам

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная

техника

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

С.-ПЕТЕРБУРГ, 1997

Работа выполнена в Научно исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова

Научный руководитель:

кандидат физ.-мат. наук, старший научный со .рудник Гавриш Ю.Н.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Павлов A.B. кандидат технических наук Бортнянский А.Л.

Ведущая организация:

НПО Радиевый институт им. В.Г.Хлопина

Защита состоится (ЛЛО/^ ¡997г. в часов на

заседании Диссертационного совета К 034.05.01 при Научно-исследовательском институте электрофизическом аппаратуры им. Д.В.Ефремова в помещении Клуба ученых (Полевая ул., 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА. Автореферат разослан «.•/$/ иАуО-^Ь 1997г. Отзывы об автореферате в одном экземпляре, заверенные ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 189631, С.-Пегербург, Советский пр., д. 1, НИИЭФА.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Жуков Б.Н.

!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В активационном анализе в последние годы большое внимание уделяется методам, основанным на использовании ядерных реакций, приводящих к образованию нуклидов с малым периодом полураспада. Достоинствами этого варианта анализа являются высокая чувствительность, селективность и производительность, что особенно важно при массовом анализе в горнорудной, добывающей промышленности, на обогатительных комбинатах, а также в медицине, экологии, криминалистике и других отраслях науки и техники. Прогресс данного вида анализа связан с созданием интенсивных компактных источников активирующего излучения, а также с разработкой новых подходов к его реализации. В этом аспекте представляется безусловно актуальной тема исследования возможностей создания комплексов нейтронно-активационного анализа (НАЛ) по короткоживущим нуклидам на базе высокочастотных сильноточных линейных ускорителей ионов (ЛУИ) водорода. Отличительной особенностью данных установок является возможность получения интенсивных потоков нейтронного излучения при минимальных массогабаритных характеристиках, что определяет перспективы создания компактных транспортабельных комплексов высокочувствительного многоэлементного анализа.

Цель работы. Целью настоящей работы является:

• разработка физической модели комплекса нейтронно-активационного элементного анализа по короткоживущим нуклидам на базе линейных ускорителей ионов водорода;

• разработка теоретических методов, алгоритмов расчета и вычислительных программ для моделирования ядерно-физических процессов взаимодействия протонов, дейтонов и нейтронов с веществом;

• определение пределов обнаружения элементов и оптимизация нейтронно-активационного анализа на базе ЛУИ.

Научная новизна работы. Научная новизна заключается в исследовании возможностей применения ЛУИ водорода для целей нейтронно-активационного анализа на основе моделирования ядерно-физических процессов взаимодействия протонов, дейтонов н нейтронов с веществом. Конкретные теоретические и

экспериментальные исследования позволили получить ряд новых результатов:

• Разработана физическая модель и метод циклического НАЛ по короткоживущим нуклидам при использовании ЛУИ в качестве источника импульсного нейтронного излучения.

• Оптимизированы временные характеристики ЛУИ (длительность и период повторения токовых импульсов) для НАА по короткоживущим нуклидам в циклическом режиме.

• Создана модель ядерных (р,п) реакций при надпороговых энергиях налетающих частиц.

• Разработаны теоретические методы и вычислительные программы для расчетов ядерно-физических процессов взаимодействия протонов, дейтонов и нейтронов с веществом в широком диапазоне энергии - от порога (р,п) и (с!,п) реакций до нескольких ГэВ. В частности, предложены методы расчета двойных дифференциальных сечений (р,п) реакций и реакций под действием нейтронов в области энергий до.20 МэВ и алгоритм расчета дифференциальных распределений нейтронов, образующихся при взаимодействии протонов или дейтонов с толстой мишенью.

Достоверность и практическая ценность. Достоверность теоретических методов моделирования ядерно-физических процессов взаимодействия протонов, дейтонов и нейтронов с веществом подтверждена тестированием используемых алгоритмов при различных начальных условиях и сравнением результатов расчетов с известными экспериментальными данными. Эффективность метода циклического НАА по короткоживущим нуклидам при использовании ЛУИ подтверждена проведенными экспериментальными исследованиями, в которых использовались современные методики и измерительная аппаратура.

Практическая ценность заключается в разработке математического аппарата моделирования комплексов НАА на базе ЛУИ, а также в создании ядерно-физического оборудования для их реализации, включающего в себя камеру взаимодействия, систему сбора и обработки спектрометрической информации, систему моииторирования импульсного нейтронного излучения.

Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в работе, использовались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных работ в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в период с 1986 по 1996 г.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV Европейском совещании по ускорителям ЕРАС-94 (Лондон, 1994г.), Международной конференции по линейным ускорителям (США, Техас, 1995г.), IV Международной конференции "Применение полупроводниковых детекторов в ядерно-физических задачах" (Латвия, Юрмала, 1995г.), Менделеевском съезде (Обнинск, 1993г.), Международных совещаниях BDO (Beam dinamic optimization)-94 и BDO-96 (С.-Петербург, 1994 и 1996 гг.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, имеет объем 83 стр., 37 рисунков, 6 таблиц, список цитируемой литературы из 48 работ.

На защиту выносятся

1. Метод циклического нейтронно-активационного анализа по короткоживущим нуклидам на основе использования ЛУИ.

2. Физическая модель комплекса нейтронно-активационного анализа по короткоживущим нуклидам на базе ЛУИ.

3. Методы расчетов и вычислительные программы для моделирования ядерно-физических процессов взаимодействия протонов, дейтонов и нейтронов с веществом в широком энергетическом диапазоне.

4. Метод расчета полного и дифференциальных сечений (р,п) реакций для ядер легких и средних элементов вблизи порога.

5. Результаты теоретических оценок пределов обнаружения элементов и оптимизации нейтронно-активационного анализа на базе ЛУИ с использованием разработанных методов расчета и вычислительных программ.

Содержание диссертации

В введении сформулированы актуальность темы, цель, научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 сделан анализ основных особенностей применения сильноточных высокочастотных ЛУИ в нейтронно-активационном анализе по короткоживущим нуклидам в сравнении с другими источниками нейтронного излучения (реакторами, циклотронами, ускорителями электронов, нейтронными генераторами). Показано, что на базе высокочастотных ЛУИ можно создзть интенсивный импульсный генератор нейтронов для комплекса НАА, сочетающего

в себе высокую чувствительность, экспрессность и сравнительно небольшие массогабаритные характеристики. Наибольший эффект может быть достигнут при использовании циклического метода НАА по короткоживущим нуклидам. Оптимизированы временные параметры (длительность /г и период повторения импульсов Т ) ускорителя для достижения максимальной чувствительности НАА. Для этого исследована зависимость числа отсчетов к от временных параметров Т и /„ найдены условия, при которых эта величина имеет максимум. На рис. 1 приведены графики зависимости к (в отн. ед.) от длительности импульса tr при выполнении найденных условий для четырех значений периода полураспада Тщ'. 0,002, 0,02, 0,2 и 2 с. Время анализа принято равным = 600 с, а время задержки, определяемое процессами термализации нейтронов внутри камеры взаимодействия, tw = 0,5 мс.

Рис. 1. Зависимость числа отсчетов (в отн. единицах) от длительности импульса 1, (в сск.) при задашшх значениях периода полураспада (Т1Д: 0,002; 0,02; 0,2; 2 с), времени анализа и = 600 с и времени задержки I» = 0,5 мс

Как видно из рис. 1, для любого Тц2 число отсчетов имеет максимум при длительности импульса /г от 100 мке до значения, равного приблизительно периоду полураспада нукллда.Таким образом, оптимальному режиму проведения циклического НАА будет соответствовать длительность токового импульса ускорителя ^ ~ 100 мке, период повторения импульсов Т > 700 мке (частота V ~ 1000 Гц, скважность 8 ~ 10 - 100).

В главе 2 описана физическая модель комплекса НАА и аппаратура для реализации высокочувствительного НАА по короткоживущим нуклидам на базе ЛУИ, которая дает возможность проводить анализ в циклическом режиме без применения сложных и

/ / 001 ^ '

0 001 -

10 3 Ю-4 0D01 0 01 01 tr. сек.

дорогостоящих систем быстрой транспортировки исследуемого образца от места облучения к спектрометру гамма-излучения (например, пневмопочты). Приведены результаты испытаний отдельных систем, входящих в состав комплекса. В качестве источника активирующего излучения используются нейтроны, образующиеся в пороговых реакциях 1Лз7(р, п)Ве47 на толстых мишенях при энергии ускоренных протонов 2 МэВ. При больших энергиях целесообразно использовать мишень из бериллия, т.к. в области энергий налетающих протонов (и дейтонов) до 30 МэВ выход нейтронов из Ве наибольший. Поток активирующего излучения имеет импульсный характер, повторяющий временной режим работы ускорителя. В камере взаимодействия располагается . исследуемый образец, монитор нейтронного излучения и полупроводниковый детектор для измерения наведенной гамма-активности (рис.2).

Рис. 2. Камера взаимодействия: 1 - ионопровод; 2 - мишень полного поглощения; 3 - исследуемый образец; 4 - система коллиматоров; 5 - детектор гамма-излучения высокого разрешения; 6 - локальная защита детектора; 7 -компаратор для контроля за потоком активирующего излучения; 8 - монитор нейтронного излучения; 9 - слой графита; 10 - слой защитных кирпичей "Ы - в"; 11 - железная защита

Защита детектора от прямого воздействия ионизирующего излучения обеспечивается системой соответствующих экранов и коллиматоров внутри камеры, что практически полностью исключает возможность активации его элементов. Внутренняя поверхность камеры взаимодействия покрыта графитовым слоем для снижения активации узлов конструкции. За графитовым слоем размещен слой защитных кирпичей из борированного полиэтилена для поглощения

нейтронного потока. Для уменьшения влияния естественного гамма-фона целесообразно применение третьего слоя из свинца или железа. Использование камеры с трехслойными стенками позволяет одновременно решить задачу локальной защиты нейтронного источника, что существенно уменьшает требования к биологической защите всего ускорителя в целом.

Блок-схема измерительного спектрометрического комплекса представлена на рис.3, а временная циклограмма процесса измерений - на рис. 4.

Рпс.З. Блок-схема измерительного спектрометрического комплекса

ТКЗ«П '"МП

Рнс.4. Временная циклограмма процесса измерений наведенной активности короткоживугцих изотопов: 1с - синхроимпульс ускорителя; 1„ - время нейтронной вспышки; Ц - время задержки, обусловленное процессом термализации нейтронного потока; Т^ - длительность импульса запрета; 1юм -время измерения

Передним фронтом синхроимпульса ускорителя запускается временной селектор, который вырабатывает импульс запрета. В течение этого времени заблокирозан выход усилителя-формирователя и сигналы, возникающие в детекторе во время

процесса активации образца и термализации нейтронов, не поступают для дальнейшей обработки. По окончании импульса запрета в течение времени происходит накопление и обработка сигналов в многоканальном анализаторе. Время измерения прерывается с приходом очередного синхроимпульса ускорителя, и цикл, описанный выше, повторяется. По окончании измерений экспериментальный энергетический гамма-спектр обрабатывается по специальной программе. Для мониторирования потока нейтронов применялся метод затянутой регистрации, основанный на использовании эффекта замедления быстрых нейтронов в водородосодержащем замедлителе и регистрации гамма-квантов, возникающих при последующем захвате медленных нейтронов ядрами водорода..

Глава 3 посвящена моделированию ядерно-физических процессов для оценки чувствительности НАА на базе ЛУИ. Для расчетов дифференциальных и полных сечений ядерных (р,пХ) и (ё,пХ) реакций и дифференциальных распределений нейтронов из толстых мишеней был разработан пакет вычислительных программ. Особенностью этих программ является то, что они применимы для моделирования ядерных реакций и расчётов радиационных полей при малых и средних энергиях, вплоть до порога ядерных (р,п) и (<1,п) реакций. Разработанный пакет вычислительных программ основан на некоторых модельных представлениях о ядерных реакциях. В области энергий выше 20 МэВ основой расчета является модель внутриядерного каскада с применением аппроксимационных формул, предложенных в работах Сычева и др.1. Большим достоинством аппроксимационных методов расчета сечений является возможность их быстрого вычисления для конкретных ядер и начальных энергий без существенных затрат машинного времени. При начальных энергиях ниже 20 МэВ аналогичных методов расчета сечений не существовало, поэтому для этой области энергий была предложена и реализована в вычислительной программе методика, основанная на аппроксимации известных экспериментальных данных по двойным дифференциальным сечениям для разных элементов. В области

1 Сычев Б. С., Серов А. Я., Манько Б. В. Аналитическая аппроксимация дифференциальных сечений образования вторичных частиц в неупругих нуклон-ядерных взаимодействиях при энергиях выше 20 МэВ. М. 1979 (Препринт / РТИ АН СССР - 799).

механизм рассматриваемых реакций в основном равновесный, статистический, поэтому для описания дифференциальных сечений использованы основные соотношения статистической модели ядерных реакций с включением в алгоритм расчета ряда безмодельных зависимостей и параметров. Пример результатов расчетов дифференциальных сечений приведен на рис. 5. Видно, что расчеты дают хорошее согласие с экспериментальными данными.

В области энергий 10-20 МэВ использовался простой вариант экситонной модели предравновесного распада возбужденного ядра, образующегося в начальной стадии реакции. Для расчета сечений реакций под действием нейтронов (п,п'Х), (п,рХ) был разработан метод аппроксимации полных сечений, двойных дифференциальных сечений упругого и неупругого рассеяния нейтронов, реакций (п,у), (п,2п), (п,3п) для энергий налетающего нейтрона 0,1 - 20 МэВ. Аппроксимация экспериментальных данных проводилась на основе библиотеки «БРОНД». На рис. 6 приведены результаты расчета в сравнении с экспериментальными данными.

0 1 2 3 4 5 « Еа.МаВ

Рис.5. Дифференциальное сечение (р,п) реакции

ь

é.tf

О 14« Я Ш и 1* и ив^йьл

Рис. 6. Энергетическая зависимое» сечения (а,у) реакции на "Бн линия -расчет, кружочки - данные из библиотеки БРОНД

Описание взаимодействия с ядрами дейтонов является более сложным, чем ядерных реакций под действием нуклонов. В программе использовались следующие модельные представления о дейтон - ядерных реакциях. Предполагалось, что из-за малой энергии связи при полном проникновении дейтона в ядро происходит его развал на протон и нейтрон. Далее инициируется каскад под действием как протона, так и нейтрона. В этом случае вполне применимы методы, использованные ранее для протонов и нейтронов, следует лишь учесть энергетику дейтон - ядерных реакций.

Особого рассмотрения потребовала область энергий вблизи порога (р,п) реакций, например У7(р,п)Ве7, ТЧр.пЭНе3. Особенности поведения полного и дифференциальных сечений вблизи порога не нашли исчерпывающего теоретического описания. Для расчета сечений (р,п) реакций была предложена методика, основанная на квантово-механических представлениях. Предполагается, что рассеяние протона на нейтроне происходит в два этапа. Сначала,, претерпев первое соударение, протон и нейтрон рассеиваются и оба заселяют некий уровень, характеризуемый энергией е^ лежащей выше обеих граничных энергий ер, и Далее происходит перерассеяние протона и нейтрона с конечными энергетическими состояниями £2 и Е„ определяющими в выходном канале реакции невозбужденное ядро бериллия и энергетическое и угловое распределение вылетающих нейтронов соответственно. Такая схемз определения динамических свойств амплитуды приводит к следующему выражению для квадрата модуля амплитуды реакции в системе покоя ядра лития:

где фактор 5 - спиновый множитель, функции в фигурных скобках соответствуют квадрату амплитуды рассеяния протона на нуклоне ядра, и Р(еъе{р,Тг) - функции распределения

слабосвязанных нейтрона и протона. Энергия претерпевшего взаимодействие протона может быть выражена из закона сохранения энергии £2=ЕР-Еп+()+£,. Результат суперпозиции двух процессов рассеяния и перерассеяния приводит к результата.! для полного сечения реакции, приведенным на рис. 7.

I 1

г

» н

■ иг пня

1Я 2.0 1Л

Эпрпи протоно», ИаВ

Рис. 7. Полное сечение реакции П7(р,п)Ве7 от пороговой энергии до энергии 2.4 МэВ ( сплошная кривая - результат расчета)

Изложенная методика может применяться для расчета сечений вблизи порога (р,п) реакций на ядрах, у которых первый уровень возбуждения достаточно далеко отстоит от энергии порога реакции, что характерно для легких и средних элементов.

Расчет дифференциальных спектров нейтронов за толстыми мишенями из различных материалов в широком диапазоне энергий налетающих протонов основан на следующем соотношении:

с1гЫ

1

<1Е

где /(£) = -— - ионизационные потери энергии протонов в

мишени, вычисляемые по формуле Бете-Блоха; }Р(Е) - число нуклонов на глубине ъ мишени, которое можно оценить по формуле: ;,(£)= ехр(- М<т(Е)2(Е)),

где а{Ё) - полное сечение реакции, а глубина ъ связана с энергией тормозящегося внутри мишени протона соотношением

Значение Ет определяется выражением: Ьт = \ „ „ , г ,

^лор'^лор Я он)

где Епор - энергия порога (р,п) реакции, Ет, - корень уравнения г(Е)=го (го - толщина мишени). Для вещества со сложным

элементным составом распределение

<1Е,<т

вычисляется как

с/£пс/П:

к=1

Е)СкА-к1

к-1

где Ак - массовые числа, входящие в состав мишени элементов; С*- их весовые доли. В качестве примера на рис. 8-10 представлены некоторые из полученных результатов (все спектры нормированы на один падающий протон).

Рис. 8. Энергетические спектры нейтронов из толстых медных мишеней (1 - Си63,3 - Си65,2 - природная медь: 69% Си63 + 31% Си65) при Ер = 5 МэВ

Еп. М»В

Рис. 9. Энергетический спектр нейтронов (на один протон) при 9 = 0°, вылетающих из толстой берилиевой мишени при энергии налетающего дейтона Е<1= 10 МэВ

О 50 100 150 200 E(kev|

Рис.10. Энергетический спектр нейтронов, вылетающих из толстой литиевой мишени под углом в ■ 00 при энергии ускоренных протонов Ео = 2 Мэв

В главе 4 приведены теоретические оценки чувствительности нейтронно-активационного анализа на базе высокочастотных ЛУИ и результаты экспериментальной отработки методики анализа. Оценка чувствительности проводилась на основе расчета числа гамма-квантов наведенной активности за к импульсов при циклическом методе анализа с использованием описанных выше программ для вычисления дифференциальных распределений нейтронов и сечений реакций под действием нейтронов с образованием радионуклидов. Результаты расчетов пределов обнаружения некоторых элементов для комплекса на базе ЛУИ с энергией 2 МэВ приведены в табл. 1.

Таблица!. Пределы обнаружения (Е0 = 2 МэВ)

Элемент Реакция Тт,с Е(, МэВ (%) Предел обна-

ружения, мкг

Р 11 1,633 (100) 0,4

Ка №а13 (п,у) Ка24т 20 0,472 (100) 2 Ю'3

С1 С1" (п,у) С138га 0,71 0,671 (99,9) 2,2 10"2

Бс Бс45 (п,у) Бс46т 18,7 0,143 (66) 9,3 10"4

Ое Се74 (п,у)<3е"™ 48 С»,140 (35) 3,1 10"'

Се"(п,у)Ое"т 53 0,216(39); 0,16(21)

Бе Бе76 (п,у) Бе7*" 17,4 0,162(10) 1,1 Ю-2

ра Р(1106 (п,7) Рс1,07т 21,3 0,215(3,2) 1,4 1<Г2

л8 Ак'ю(п,у)Ай"° 24,4 0,658 (5,6) 2,9 10"3

Тг. 1п:"(ч,у)1п"6,п 2,16 0,164(35); 2,4 10"5

1п"5(п,у) 11.'" 14,1 1,293 (1,2); 0,434 (0,1.)

БЬ БЬ123 <п,у)БЬШт 93 1,101 (15); 0,646 <15.) 1,5 Ю-3

Ва Ва1" (п,у) Ва136т 0,31 '1,048 (100); 0814(100) 2,6 10"3

Се Се'м(п,у)Се13' 56,5 0,754 (93) 8,9 102

Ег Ег16"(п,у) Ег",т 2,28 0,208 (43) 9,1 10"4

УЬ УЬ"'(п,т) УЬ177™ 6,4 0,228 (13); 0,105 (65) 4,2 Ш'3

Ю Н^77 (п,у) Н^71т 4,0 0,426 (97,1); 0,326 (92,6); 2,8 10"

т17' (п,у) Н^791" 18,7 0,216(94); 0,161 (3)

XV \У"2 (п,у) \У|ЯЗт 5,3 0,108(19); 0;053 (11) 1,4 10"3

Р1 Р1т (п,у) Р1|99т 14 0,393 (83); 0,032 (5) 7,1 10'2

РЬ РЬ206 (й,у) РЬ207я 0,81 1,064 (88); С,57 (98) 1,8 102 ■

В случае применения ускорителей с более высокой энергией ускоренных протонов, например 10 МэВ, энергии нейтронов, вылетающих из мишени, достигают значений 8-10 МэВ. При этом кроме реакций радиационного захвата возможны реакции (п, р), (п, 2р), (п, а) и реакция неупругого рассеяния нейтронов. Для определения элементного состава может быть использовано у- излучение радионуклидов, образующихся в этих реакциях. Результаты расчетов пределов обнаружения некоторых элементов представлены в табл. 2.

Таблица 2. Пределы обнаружения (Е0 = 10 МэВ)

Элемент Реакция Т1/2,с Еу, МэВ (%) Предел обна-

ружения, мкг

О 016(п,р)Ы16 7,13 7,122 (5); 6,134 (69) 3,1 103

М% Мй" (п,а) Ые23 40,2 1,639(0,9); 0,438(33) 3

С1 С1" (п,а) Р34 12,4 4,00 (0,2); 2,127 (15) 5

Т1 ТС44 (п,р) Бс46™ 18,7 0,143(66) 2,5

р Р"(п,а)М16 7,13 6,134(69); 0,7

Р"(п,р)0" 26,9 1,358 (59); 0,197 (97)

№ Ыа23 (п,а) Р20 И 1,633 (100) 0,25

ве Се"(п,2п) Се"" 48 1,140(35) 0,35

Аз А57>(п,р)Се7*" 48 1,140(35) 4,5

Бе Бе" (п^п) Бе77™ 17;4 0,162(10) 0,2

Вг Вг'^пл1) Вг™" 4? 0,207 (70) 4,3 10'2

У У'ЧадТУ™" 16,1; 0,909 (49) 0,4

гг гг" (плогг"1™ 0,81! 2,139(86,3); 2,186(13,8) 0,2

Мо Мо®2 (п,2п) Мо"1™ 65 0,653 (42,7); 0,51 Г (76) 0,85

Р<1 Рс!10» (п^2п) ра,07т 21,3 0,215(3,2) 0,3

Се Се^О^Се'3*" 56,5 0,754 (93) 0,1

N(1 ЗМ"2(п,2п)Ыс114'т 61 0,756(91) 0,22

ТЬ ИЬШ (п,2п) ТЬ|58т 10,5 0,110(0,8) 1

Ег (п,2п) Ег"7"1 2,28 0,208 3,4

НГ Н?'"(п,2п)НГ""т 4,0 | 0,426(97,1);0,326(92,6) 0,8

(п.2п) НГ179'' 18,7 ! 0,216(94); 0,161(3)

Ли Аи!97 (п,п') Аи|97т 7,2 0,278(72,5); 0,13(3,2)' 0,51

РЬ РЬш4(п,2п),РЬ2Ит 6,4 ; 0,825(89,4); 0,82(10,6); 7,1

РЬ^О^гОРЬ*"» | 0,81 1,064(88); 0,57(98)

Приведены также результаты расчетов пределов обнаружения некоторых элементов для НАА на базе ЛУИ с пучком ускоренных дейтонов.

Для отработки метода циклического нейтронно-активационного анализа, по короткоживущим нуклидам были выполнены экспериментальные исследования на линейном протонном ускорителе при Ер, = 6,3 МэВ. Исследовано влияние процессов термализации нейтронов на спектрометрические измерения наведенной активности, испытаны отдельные системы комплекса, в частности, монитор импульсного нейтронного излучения, быстрый спектрометр гамма-излучения, программа обработки экспериментальной'информации. Проведенные экспериментальные исследования доказали принципиальную возможность реализации циклического метода НАА по короткоживущим нуклидам на базе ЛУИ.

В главе 5 описаны методы и программа обработки спектрометрической информации. Обработка спектрометрической информации - последний этап проведения активационного анализа.

Была разработана программа обработки гамма-спектров, которая может служить основой для извлечения информации при проведении количественного многоэлементного анализа. Процесс обработки спектра гамма-излучения разбивается на несколько этапов: локализация фотопика, вычисление площади фотопика и оценки погрешности, уточнение положения фотопика, проведение энергетической калибровки, идентификация выделенных гамма-линий, проведение количественного анализа. Использовалась аппроксимация формы линии с помощью Гипермет (НурегшеО-функции, которая позволяет получать корректные результаты обработки спектров. В программе оцениваются площади пиков с помощью подгонки методом наименьших квадратов. Для идентификации элементов и получения количественного значения содержания элемента в образце используется база данных, в которую включены практически все элементы таблицы Менделеева. Разработанная система является открытой и позволяет не только запускать программу обработки целиком, но и пользоваться отдельными компонентами системы (например, сглаживание, дифференцирование и т.д.) и видеть промежуточные результаты обработки.

В заключении обсуждаются основные результаты диссертации.

Основные результаты работы

1.Разработан метод нейтронно-активационного анализа по короткоживущим нуклидам на основе использования высокочастотных линейных ускорителей ионов водорода. Наибольший эффект достигается при реализации циклического метода анализа. Проведена оптимизация временных параметров ЛУИ для достижения максимальной чувствительности и производительности НАА: длительность импульсов 100 - 1000 мкс, скважность 10 - 100.

2. Предложена физическая модель комплекса нейтронно-активационного элементного анализа по короткоживущим нуклидам на базе линейных ускорителей ионов водорода. Проведена теоретическая оценка пределов обнаружения различных элементов и чувствительности комплекса НАА в зависимости от энергии ускоренных ионов водорода в интервале 2-10 МэВ и типа частиц (протон, дейтрон). Разработан и изготовлен комплекс аппаратуры, включающий в себя камеру взаимодействия, быстродействующую систему сбора и обработки спектрометрической информации, систему мониторирования импульсного нейтронного излучения. Созданы алгоритм и программа обработки экспериментальных

гамма-спектров наведенной активности. Экспериментальные исследования, выполненные на линейном протонном ускорителе, и испытания отдельных частей комплекса, в частности монитора нейтронного излучения и быстродействующей системы сбора и обработки спектрометрической информации, подтвердили достоверность реализации циклического метода нейтронно-активационного анализа по короткоживущим радионуклидам на основе использования высокочастотных линейных ускорителей ионов водорода.

3. Впервые предложены модель ядерных (р,п) реакций в надпороговой области налетающих частиц на основе квантово-механических представлений и метод расчета полного и дифференциальных сечений для ядер легких и средних элементов. Разработана программа расчета двойных дифференциальных распределений и выходов нейтронов из толстых мишеней.

4. Разработана и реализована на персональном компьютере вычислительная программа моделирования ядерно-физических процессов взаимодействия ускоренных заряженных частиц и нейтронов с веществом в широком энергетическом диапазоне. Использование различных модельных представлений о ядерных реакциях, а также современных библиотек оцененных ядерных данных позволило создать вычислительную программу для расчета основных характеристик вторичного ионизирующего излучения из ядерных реакций под действием ионов водорода и нейтронов с достаточно высокой точностью (10 - 15%) и сравнительно небольшим временем счета.

Автор выражает глубокую благодарность профессору Ворогушину М.Ф. и канд. физ.-мат. наук Гавришу Ю.Н. за постановку задач и обсуждение научных проблем, изложенных в диссертации; профессору Свистунову Ю.А. и канд. физ.-мат. наук Мудролюбову В.Г. за большой вклад в проведении совместных исследований; канд. техн. наук Токареву Г.М. за помощь и поддержку в период работы над диссертацией; канд. техн. наук Строкачу А.П., Фиалковскому A.M., Огородникову С.А., способствовавшим решению отдельных задач диссертации.

Основное содержание работы изложено в публикациях:

1. Ворогушин М.Ф., Гавриш Ю.Н., Просвиркин А.Г., Сидоров А.В., Фиалковский A.M. Нейтронно-активационный анализ по короткоживущим радионуклидам на базе линейного ионного ускорителя // Препринт П-0936, М., ЦНИИатоминформ, 1995.

2. Бахрушин Ю.П., Ворогушин М.Ф., Гавриш Ю.Н., Сидоров А.В. Нейтронно-активационный анализ по короткоживущим радионуклидам на базе линейного ионного ускорителя // Тезисы IV Международной конференции «Применение полупроводниковых детекторов в ядерно-физических задачах», Jurmala, 25-29.IX.1995, с. 80.

3. Vorogushin M.F., Gavrish Yu.N., Svistunov Yu.A., Sidorov A.V. Ion Linac and Measuring Complex for Nuclear Express-Analysis of Materials // Materials of Conference EPAC - 4, London, 1994.

4. Gavrisch Yu.N., Sidorov A.V., Prosvirkin A.G., Svistunov Yu.A., Fialkovsky A.M. New Code for Description of Nucleon and Electron Interactions with Material // BDO -94, S.-Petersburg, 1994.

5. Gavrisch Yu.N., Sidorov A.V., Prosvirkin A.G., Svistunov Yu.A., Fialkovsky A.M. Modernization of calculation program SONIC of secondary ionizing radiation characteristics for middle energies // BDO-96, S.-Petersburg, 1996.

6. Бахрушин Ю.П., Ворогушин М.Ф., Гавриш Ю.Н., Свистунов Ю.А. Сидоров А.В./ Использование линейного ионного сильноточного ускорителя для нейтронно-активационного анализа по короткоживущим радионуклидам // XV Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Обнинский симпозиум "Радиоэкологические проблемы'в ядерной энергетике и при конверсии производства", т. 1, с. 81, Обнинск, 1993.

7. Гавриш Ю.Н., Корнев В.А., Сидоров А.В./ К вопросу о нестационарном переносе нейтронного и фотонного излучения через защитные экраны.// Специальные вопросы атомной науки и техники, серия «Электрофизическая аппаратура», вып. 1, 1989, с.122 - 127.

8. Гавриш Ю. Н., Огородников С. А., Сидоров А. В., Фиалковский А. М. Метод расчета полного и дифференциальных сечений (р,п) реакций для ядер легких и средних элементов вблизи порога С.-П., 1997 (Препринт / НИИЭФА: П-0953).

9. Ворогушин М.Ф., Гавриш Ю.Н., Ефимов А.Б., Сидоров А.В./ Возможности определения элементного состава поверхности Луны с использованием линейного ускорителя ионов водорода // Труды XIV Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 1994. Т.4, с. 269.

10. Ворогушин М.Ф., Гавриш Ю.Н., Просвиркин А.Г., Сидоров А.В., Фиалковский A.M. К вопросу дистанционного определения делящихся веществ с использованием линейного ускорителя ионов водорода. С.-П., 1996 (Препринт / НИИЭФА: П-0946).

11. Ворогушин М.Ф., Гавриш Ю.Н., Сидоров А.В., Фиалковский A.M. К вопросу дистанционного определения делящихся веществ с использованием ускоренного пучка протонов.// Аннотации докладов XV Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 1996.

12. Ворогушин М.Ф., Гавриш Ю.Н., Ефимов А.Б., Сидоров А.В. Возможности определения элементного состава поверхности Луны с использованием линейного ускорителя ионов водорода. С.-П., 1993 (Препринт/НИИЭФА: П-0922) .

13.Гавриш Ю.Н., Гусев О.А., Сидоров А.В. и др. Вторичное ионизирующее излучение ускорителей ионов водорода// Специальные вопросы атомной науки и техники, серия «Электрофизическая аппаратура», вып. 1, 1989, с.129 - 134.

14. Vorogushin M.F., Gavrisch Yu.N., Efimov А.В, Sidorov A.V. Method of Experimental Investigation of Elemental Contents of Moon's Surface Based on Proton Linac // Conference of Linac Accelerators and their Applications, Texas, 1995.