Расчет процессов генерации, переноса и детектирования нейтронов в некоторых экспериментальных установках методом Монте-Карло тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ_

На правах рукописи

Жуков Александр Павлович

Расчет процессов генерации, переноса и детектирования нейтронов в некоторых экспериментальных установках методом Монте-Карло

01.04.16-физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

Жуков Александр Павлович

Расчет процессов генерации, переноса и детектирования нейтронов в некоторых экспериментальных установках методом Монте-Карло

01.04.16- физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Н.М. Соболевский (ИЯИ, Москва)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, доцент

Л.Г. Деденко (МГУ, Москва) А. В. Шелагин (МФТИ, Москва)

Ведущая организация:

ФГУП ГНЦ РФ Физико-энергетический институт им. Лейпунского (Обнинск)

Защита состоится 30 июня 2005 г. В 15:00 на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 в Институте ядерных исследований РАН по адресу: 117312, г.Москва, проспект 60-летия Октября, 7а, Институт ядерных исследований РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН.

Автореферат разослан « 26 » мая 2005 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01 кандидат физико-математических наук

Б.А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Исследование процесса взаимодействия адронов со сложными макроскопическими мишенями является необходимым этапом широкого круга исследований в фундаментальной и прикладной ядерной физике.

При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц и ядерной астрофизике, на ускорителях необходимо детальное компьютерное моделирование экспериментальной установки с целью предсказания фоновых условий, отклика детекторов и т. п.

Ряд важных научно-технических проблем включает, как необходимый этап их решения, расчетно-теоретические исследования физики ядерно-каскадного процесса в среде. Расчеты генерации нейтронов в протяженных тяжелых мишенях под действием интенсивного пучка протонов ("spaUation''-процесс) необходимы в задачах нейтронной физики, ядерной физики, ускорительной физики.

Максимально приближенное к действительности компьютерное моделирование физических экспериментов требует разработки универсальных компьютерных программ, которые осуществляют моделирование всех значимых физических процессов.

Как известно, основным методом теоретического описания взаимодействия частиц со сложными мишенями в настоящее время является статистическое компьютерное моделирование (метод Монте-Карло). Поэтому универсальные компьютерные программы (общепринятое название - транспортные коды - "transport codes"), позволяющие проводить такое моделирование, являются обязательной частью современного инструментария в физике ядра и элементарных частиц и образуют важное направление в методике исследований.

Основными установками нейтронного комплекса ИЯИ РАН являются спектрометр по времени замедления в свинце (СВЗ-100) и импульсный источник нейтронов (ИН-06). В обеих установках генерируются нейтроны под действием протонного пучка линейно ускорителя протонов. Процессы генерации нейтронов в этих установках и дальнейший перенос нейтронов определяют главные параметры этих приборов.

Вопрос о составе космического излучения является одним из основных для физики космических лучей. Определение типа первичной частицы по нейтронному отклику в регистрирующем приборе является одним из подходов к решению этой задачи.

Таким образом, проблема расчета генерации нейтронов в макроскопических мишенях под действием внешнего излучения, лежащая на стыке физики элементарных частиц, нейтронной физики, физики космических лучей и компьютерного моделирования, является актуальной.

Целью диссертации является расчетно-теоретическое исследование процесса генерации нейтронов в ряде экспериментальных установок ядерной физики и предсказание рабочих параметров этих установок.

Научная новизна результатов. Следующие результаты, представленные в диссертации, являются новыми:

• Разработана компьютерная программа JShield, реализующая интерфейс известных транспортных кодов (MCNPX, SHIELD, GEANT4), что позволяет существенно упростить расчет переноса частиц при совместном использовании этих кодов. Аналоги программы JShield в литературе не известны.

• Обнаружен эффект расщепления (бимодальности) спектра нейтронов в спектрометре по времени замедления в свинце (монолитном блоке свинца большой массы). Эффект объяснен неупругим рассеянием нейтронов на ядрах свинца. Показано, что в случае, если энергия нейтрона ниже порога неупругого рассеяния, то эффект не наблюдается. Изучены характерные времена жизни нейтрона, при которых имеет место данный эффект. Получены расчетные характеристики измерительных каналов спектрометра по времени замедления СВЗ-100 ИЯИ.

• Впервые проведено систематическое моделирование импульсного источника нейтронов ИН-06 ИЯИ. Рассчитаны интенсивности и спектры нейтронов в нейтроноводах. Исследована вольфрамовая мишень источника ИН-06: полный выход нейтронов при разных энергиях первичного протона, угловое распределение нейтронов.

• Изучена возможность применения вторичных нейтронов для восстановления информации о первичном излучении. Показана применимость подхода в столь разных областях как восстановление состава космических лучей и диагностика потерь пучка сильноточного линейного ускорителя протонов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Компьютерный интерфейс JShield, позволяющий автоматизировать приготовление входных геометрических файлов для различных транспортных кодов при их совместном использовании.

2. Эффект бимодальности спектра нейтронов в СВЗ,

3. Расчетные характеристики СВЗ-100 ИЯИ: энергетическое разрешение разных каналов спектрометра, константа замедления.

4. Расчетные характеристики импульсного источника нейтронов ИН-06: интенсивность и спектр нейтронов на выходе нейтроноводов, расчетная интенсивность нейтронного потока в мишени при разных энергиях первичного пучка протонов.

5. Изучение возможности использования вторичных нейтронов для восстановления характеристик первичного излучения в физике космических лучей и в системе мониторирования потерь пучка линейного ускорителя протонов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

Разработанный интерфейс JShield является удобным инструментом для проведения и сравнения расчетов по разным транспортным кодам.

Результаты моделирования спектрометра по времени замедления в свинце позволяют проводить детальное планирование эксперимента на этой установке. Основным параметром СВЗ является константа замедления, которая определяет закон пересчета регистрируемого времени замедления нейтрона в энергию нейтрона. Получено значение этой константы, хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Вычислено также значение разрешения в разных измерительных каналах спектрометра. Обнаруженный эффект бимодальности нейтронного спектра резко ухудшает разрешение СВЗ при малых временах замедления, что накладывает некоторые ограничения на область применения установки, которые необходимо учитывать.

Для импульсного источника нейтронов ИН-06 были рассчитаны основные характеристики: интенсивность и спектр нейтронного потока на исследуемом образце. Обе эти характеристики предопределяют совокупность экспериментов, для которых можно использовать источник ИН-06. Расчеты были проведены для проектного значения энергии протонов ускорителя ИЯИ 600 МэВ, а также для доступной в настоящее время энергии 209 МэВ. Это позволяет оценить параметры источника ИН-06 при достижении ускорителем проектной энергии.

Была изучена возможность применения вторичных нейтронов для получения характеристик первичного излучения. Показано, что такой подход позволит построить эффективную систему мониторинга потерь пучка линейного ускорителя.

Подтверждена целесообразность использования вторичных нейтронов для исследования первичных космических лучей (1NCA, НМ-64).

Апробация результатов. Результаты диссертации докладывались на следующих международных конференциях:

• Fourth Workshop on Simulating Accelerator Radiation Environments (SARE 4), Knoxville (TN), USA, September 14-16, 1998. ORNL, 1999

• 27th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, Germany, 07-15 August 2001

• XII Int. Sem. on Interaction of Neutrons with Nuclei, ISINN-12, Dubna, May 26-29, 2004

Автор докладывал результаты исследований на научных семинарах в Институте ядерных исследований РАН (Москва), Физико-энергетическом институте им. Лейпунского (Обнинск), Физическом институте им. Лебедева РАН (Москва), Ок-Риджской национальной лаборатории (Ок-Ридж, США).

Публикации.

Результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в числе которых 2 статьи в ведущих рецензируемых российских и международных журналах и 12 - в виде докладов в трудах российских и международных научных конференций и препринтов российских научных институтов. Список работ приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 66 рисунков, список цитируемой литературы включает 99 наименований. Общий объем диссертации составляет 109 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы и выбор метода расчета. Кратко изложено содержание глав диссертации.

Первая Глава посвящена анализу транспортных кодов и выбору наилучшего для решения задач диссертации. В первом параграфе рассмотрены пять транспортных кодов SHIELD, MCNPX, GEANT4, MARS, EGS4, их основные характеристики сведены в таблицу. Во втором параграфе обосновывается выбор связки SHEELD+MCNPX в качестве оптимального инструмента. Обсуждается невозможность использования одного кода. В третьем параграфе описана программная оболочка JShield, позволяющая подготавливать входные файлы, описывающие геометрию и химический состав мишени единообразно для всех трех кодов в диалоговом режиме с визуализацией геометрии мишени, обоснована насущность такого инструмента.

Вторая Глава описывает расчет характеристик экспериментальных установок нейтронного комплекса ИЯИ РАН.

Первые шесть параграфов описывают подробное моделирование спектрометра но времени замедления в свинце СВЗ-100.

Первый параграф посвящен постановке задачи о СВЗ. Если в большой блок свинца естественного изотопного состава в момент времени to=0 впрыснуть пакет нейтронов с энергией Eo<Eth, т.е. с энергетическим спектром f(E)=8(E-Eo), то наблюдается следующая картина: 8-образный

спектр превращается в гауссовскии и с течением времени сохраняет свою форму. При этом средняя энергия гауссовского спектра Е однозначно связана со временем замедления I, а отношение полуширины спектра к средней энергии (Д/ Е), т.е. «разрешение спектрометра», в силу специфической самофокусировки остается постоянным. Такова качественная картина переноса нейтронов в СВЗ.

Очевидно, достоинствами СВЗ являются простота измерения энергии, которая однозначно определяется временем замедления t согласно простой формуле, следующей из теории возраста:

где Е - энергия в кэВ, I - время замедления в мкс, А-константа замедления, - параметр.

Во втором и третьем параграфах обсуждается моделирование идеального, сферического СВЗ. Рассчитывались спектры нейтронов, вылетающие с поверхности сферы в разные моменты времени в зависимости от энергии нейтрона источника.

Получен эффект бимодальности нейтронного спектра, изображенный на Рис. 1. Второй максимум объясняется наличием порога неупругого рассеяния. Если энергия нейтрона «источника» ниже пороговой Е^, то имеет место гауссовый спектр, если выше то появляется второй максимум, который с течением времени жизни нейтрона (и с его замедлением в свинце) пропадает. Значение пороговой энергии примерно равно 0.57 МэВ.

Рис. 1 Спектры нейтронов, вылетающих с поверхности сферы радиусом R=50 см в разные моменты времени. Слева при Es ниже порога неупругого рассеяния Ед,., а справа выше.

Изучен не только идеальный моноэнергетический источник, но и более приближенный к реальности - точечный источник с испарительным спектром. Подробно изучен вопрос представления нейтронных сечений: групповое (SHIELD) и поточечное (MCNPX). Обнаружены ограничения на применение групповых сечений в некоторых вопросах. Показано, что расщепление спектра не является артефактом и не зависит от типа представления сечений. Приведено физическое объяснение возникновения расщепления для энергий выше пороговой.

Четвертый параграф посвящен моделированию СВЗ реальной геометрии. Получены значения разрешения спектрометра в разных каналах. Вычислена константа замедления А - порядка 170 кэВмкс2. Подробно рассмотрена зависимость константы замедления от плотности свинца, из которого состоит СВЗ, что позволяет оценить влияние неровностей и щелей между свинцовыми кирпичами, из которых собран СВЗ, на значение константы А. Также изучена зависимость разрешения от расстояния до зоны генерации нейтронов (расстояние от измерительного канала до источника нейтронов). Наилучшее разрешение составляет 24%.

В пятом параграфе рассмотрен процесс генерации испарительных нейтронов протонами линейного ускорителя ИЯИ. Рассчитана интенсивность нейтронного потока для разных измерительных каналов от реального протонного пучка. Расчет проведен для разных значений энергии протонного пучка и тока ускорителя.

В шестом параграфе перечислены основные результаты исследований генерации нейтронов в СВЗ, из которых основные:

• Наличие эффекта «расщепления» при малых временах замедления и, следовательно, на малых расстояниях от источника. Это подтверждает обоснованность выбора вытянутой формы СВЗ Нейтронного комплекса ИЯИ РАН.

• Зависимость разрешение СВЗ зависит от времени замедления и положения измерительного канала.

• Константа замедления А составляет около 170 кэВмкс2, что согласуется с экспериментом.

• Высокие потоки резонансных нейтронов на образцах позволяют планировать постановку экспериментов для решения ряда актуальных задач. Обнадеживающим становится исследование процесса деления ядер с образцами, содержащими Ю'ЧКГ ядер, в частности, становится возможным изучение ряда малых актинидов.

В трех оставшихся параграфах второй Главы обсуждается расчет импульсного источника нетронов ИН-06 ИЯИ

Импульсный источник нейтронов ИН-06 является базовой установкой ИЯИ РАН Он предназначен для осуществления исследований, как в области конденсированных сред, так и в области ядерной физики При этом следует отметить, что благодаря таким конструктивным особенностям ИН-06, как наличие двух мишенных боксов в одном блоке биологической защиты, имеется возможность проведения работ по изучению ядерной трансмутации долгоживущих продуктов деления и электроядерного способа производства энергии

Седьмой параграф дает описание нейтронного источника и его мишени, которая установлена в настоящий момент Протоны линейного ускорителя влетают в мишень ИН-06 и генерируют в ней испарительные нейтроны, которые замедляются в замедлителях и вылетают по нейтроноводам к исследуемым образцам

В восьмом параграфе рассмотрен процесс рождения нейтронов внутри мишени без учета дальнейшего замедления в замедлителях Спектры медленных нейтронов вылетающих с разных

поверхностей мишени изображены на Рис 2-3

ю'

Ю'

ю

в" 10"*

10

1 -F — В — • U+D — S " 1

. — л~ "" . -. А - ~ "" " \

* .. J"— ' * 1 1 I — 1 ... 1-

• \ 1 _1. _ • , "" * • 1

4].,'

10

Ю-

10

10'

10°

10'

Energy, MeV

Рис 2 Спектры медленных нейтронов вылетающих из мишени в расчете на 1 первичный протон 209 МэВ ^ -направление вперед, В - назад,и+Б -вверх и вниз, S - «в сторону»)

Проведен анализ полученных спектров, позволивший сделать вывод, что мишень не оптимизирована для энергии 209 МэВ (зона генерации нейтронов слишком близка к входу протонов в мишень)

10' 10 Energy, MeV

Рис 3 Спектры медленных нейтронов вылетающих из мишени в расчете на 1 первичный протон 600 МэВ (F -направление вперед, В - назад^+D -вверх и вниз, S - «в сторону»)

В девятом, последнем параграфе Главы 2, проведен расчет нейтронных спектров на выходах из нейтроноводов На Рис 4 изображен спектр нейтронов вылетающих в VII канал Характерной особенностью этого спектра является относительно высокая энергия «теплового» максимума - порядка 0 05 эВ, т е энергия «тепловых» нейтронов, летящих из замедлителя в нейтроновод примерно в 2 раза больше тепловой Это хорошо согласуется с экспериментальным спектром, где максимум также находится примерно в 0 05 эВ

Полученные зависимости чрезвычайно важны для исследователей Использую эти зависимости можно планировать эксперимент Знание спектра вылетающих нейтронов и потоков дает возможность с меньшими ошибками конструировать новые установки, окружение образца, электронные приспособления

Для моделирования генерации нейтронов в мишени использовался код SHIELD, а для дальнейшего переноса код MCNPX, использование последнего было необходимо, чтобы учесть рассеяние тепловых нейтронов на водороде, входящего в состав воды замедлителя.

10*10'

80x10'

6 0*10Э

м

<= 4 0x10s 0

2 0x103

00

"1.....1......1......1.....1.....1.....1 '

Chan VII -Е =209 MeV 1 =1 мкА Р ер ---[Ер=600 MeV lcp=50 мкА] *10"3 —

-

1 1 ' А

Г 1 • V г • ь Г --- N. .......

10* 10' 10' 101 10° 10' 101 101 10* 10е 1СГ 10' 10е Energy, eV

Рис. 4 Спектр нейтронов в канале ¥11-В (нейтроны, летящие перпендикулярно пучку протонов)

В третьей главе, в отличие от предыдущей, в которой главный интерес представляли характеристики нейтронного потока, при заданном внешнем облучении, рассматривается использование нейтронного сигнала в качестве инструмента анализа первичного излучения, которое в результате взаимодействия с веществом произвело нейтроны. Другими словами в этой главе рассматривается обратная задача восстановления первичного излучения по измеренному нейтронному отклику.

Первый параграф посвящен изучению генерации вторичных нейтронов в приборах физики космических лучей. Детально рассмотрен вопрос оптимизации нейтронных детекторов ионизационного нейтронного калориметра INCA. Проведено моделирование прототипа калориметра, для выяснения среднего числа нейтронов, генерируемых первичным протоном или пи-мезоном. Также был рассмотрен вопрос флуктуаций этого среднего. Флуктуации оказались весьма существенными. Например, протоны с энергией 70 ГэВ дают в среднем 600 нейтронов на 1 протон, однако распределение тянется до 1200 нейтронов на 1 протон.

Во втором параграфе рассматривается проект системы мониторинга потерь пучка линейного ускорителя протонов. Основным элементом данной системы является множество нейтронных датчиков, расположенных вдоль ускорителя. Ускоряемые протоны при попадании в элементы ускорителя порождают в них вторичные нейтроны. Число вторичных нейтронов, их спектр, угловое распределение, время регистрации является входной информацией для компьютерной системы, которая, анализируя эти данные, определяет наиболее вероятное место потерь.

В этом параграфе продемонстрировано использование интерфейса JShield совместно с транспортными кодами SHIELD, MCNPX и GEANT4.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработан компьютерный интерфейс, позволяющий автоматизировать приготовление входных файлов для различных транспортных кодов (SHIELD, MCNPX,GEANT4), что существенно упрощает сравнительный анализ расчетных результатов, полученных с помощью разных программ переноса, а также совместное использование этих кодов. Интерфейс также позволяет в едином виде визуализировать результаты моделирования.

2. Обнаружен эффект бимодальности спектра нейтронов в СВЗ.

3. Получены расчетные характеристики СВЗ-100 ИЯИ, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными (разрешение установки, константа замедления). Проведено исследование влияния наличия полостей на константу замедления СВЗ.

4. Проведено детальное моделирование импульсного источника нейтронов ИН-06. Форма расчетного спектра на выходе нейтроноводного канала VII находится в хорошем согласии с экспериментом. Исследована зависимость интенсивности нейтронного потока в мишени от энергии первичного протона. Проведен анализ существующей мишени с точки зрения оптимального выхода нейтронов.

5. Продемонстрирована возможность применения нейтронного сигнала в качестве источника информации о первичном излучении в разных приложениях. Предложена система мониторинга потерь пучка линейного ускорителя, главным элементом которой является исследование нейтронного сигнала с нейтронных датчиков потерь.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 А П Жуков, Г Т Зацепин, Г И Мерзон, Р А Мухамедшин, В А Рябов, Т Саито, Н М Соболевский, В А Царев, А П Чубенко Повышениеэффективностирегистрации нейтронов вИонизационно-нейтронном калориметре Краткие сообщения по физике, ФИАН, Москва, 2005, в печати

2 Alexeev A A, Bergman A A, Goncharenko О N, Jukov A P, Perekrestenko A D, Sobolevsky N М, Volkov A N, Fursov В I, Goverdovsky A A, Samylin В F, Trufanov A M, "Investigation of the neutron-fission processes on the lead neutron slowing down spectrometer of INR RAS", in Proc XII Int Sem on Interaction of Neutrons with Nuclei, ISINN-12, Dubna, May 26-29,2004 (Dubna, 2004), p 237

3 А П Жуков, А Д Перекрестенко, С Ф Сидоркин, Н М Соболевский Спектры нейтронов импульсного источника нейтронов ИН-06 ИЛИ РАН Препринт ИЯИ РАН — 1140/2005, М, 2005

4 S F Sidorkin, V V Lemekhov, A D Perekrestenko, V I Trushkm, A P Zhukov New Target Module of the Pulsed Neutron Source of INR RAS 17th Meeting of the International Collaboration of Advanced Neutron Sources (ICANS-XVII), April 25-29, 2005 Santa Fe, New Mexico, USA ( в печати)

5 А А Бергман, О Н Гончаренко, А П Жуков, А Д Перекрестенко, Н М Соболевский Интенсивность нейтронного потока в спектрометре по времени замедления в свинце (СВЗ) Расчет методом Монте-Карло Препринт ИЯИ РАН 1099/2003, Москва, 2003

6 A A Alexeev, A A Bergman, О N Goncharenko, A N Volkov, A D Perekrestenko, N М Sobolevsky, A P Zhukov New 100-ton lead slowing down spectrometer of the INR RAS (S-I00) - characteristics, task, results Proc of the 16th International Conference on Nuclear Fission 7-10 October 2003, IPPE, Obninsk, Russia

7 A P Chubenko, A L Shepetov, V P Antonova, S V Kryukov, R A Mukhamedshin, V V Oskomov, V V Piscal, T Kh Sadykov, N M Sobolevsky, L I Vildanova, A P Zhukov Multiplicity Spectrum of NM64 Neutron Supermonitor and Hadron Energy Spectrum at Mountain Level Proc of The 28th International Cosmic Ray Conference, Tsukuba, Japan, July 31- August 7, 2003, pp 789-792

http //www-rccn lcrr u-tokyo ac jp/icrc2003/PR0CEEDINGS/PDF/197 pdf

8 А А Бергман, О Н Гончаренко, А П Жуков, А Д Перекрестенко, Н М Соболевский Моделирование переноса нейтронов в

спектрометре по времени замедления в свинце (СВЗ) методом Монте-Карло. Препринт ИЛИ РАН 1089/2002, Москва, 2002.

9. В. П. Антонова, Л. И. Вильданов, А. П. Жуков, Г. Б. Жданов, С. В. Крюков, Р. А. Мухамедшин, В. В. Оскомов, В. В. Пискаль, Т. X. Садыков, Н. М. Соболевский, А. П. Чубенко, А. Л. Щепетов. Калибровка нейтронного монитора НМ-64 и связь спектра кратностей нейтронов с энергетическим спектром адронов на уровне гор. Изв. Академии наук, Сер. Физическая, 66 (2002) 1578.

10. К. V. Alexandrov, V. V. Ammosov, A. P. Chubenkol, G. I. Merzonl, R. A. Mukhamedshin, V. N. Murashov, V. P. Pavlyuchenko, V. A. Ryabov,

0. G. Ryazhskaya, T. Saito, A. L. Shchepetov, N. M. Sobolevsky,

1. S. Trostin, V. A. Tsarev, G. T. Zatsepin, G. B. Zhdanov, A. P. Zhukov. The INCA Collaboration: Present status and outlook. Proc. of 27th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, Germany, 07-15 August 2001, pp. 2171-2174.

http://www.coperaicus.org/icrc/papers/ici6650_p.pdf

11. K. V. Alexandrov, M. Ambrosio, V. V. Ammosov, V. P. Antonova, C. Aramo, V. Bonvicini, V. A. Chechin, A. P. Chubenko, V. I. Drobzhev,

A. D. Erlykin, M. Fujii, Y. Hatano, S. V. Kryukov, E. A. Ladygin,

B. N. Lomonosov, G. I. Merzon, R. A. Mukhamedshin, V. N. Murashov, V. P. Pavlyuchenko, M. I. Panasyuk, T. M. Roganova, A. S. Roussetski, V. A. Ryabov, O. G. Ryazhskaya, T. Saito, H. Sasaki, A. L. Shchepetov, N. M. Sobolevsky, N. I. Starkov, L. G. Sveshnikova, I. S. Trostin, V. A. Tsarev, A. Vacchi, A. Wolfendale, T. Yanagita, G. T. Zatsepin, G. B. Zhdanov, A. P. Zhukov. A new method of ionization-neutron calorimeter (INCA) for direct investigation of high-energy electrons and primary nuclei of cosmic rays up to the "knee" region. Nucl.Instr.Meth. A459 (2001) 135.

12. N. M. Sobolevsky, A. P. Zhukov. Some Non-Typical Tasks of Hadron Transport with the SHIELD Transport Code. Proc. of Fourth Workshop on Simulating Accelerator Radiation Environments (SARE 4), Knoxville (TN), USA, September 14-16, 1998. ORNL, 1999, Ed. by T.A.Gabriel, p. 283.

13. K. V. Aleksandrov, M. Ambrosio, V. V. Ammosov, С Aramo, V. A. Chechin, A. P. Chubenko, A. D. Erlykin, B. N. Lomonosov, G. I. Merzon, R. A. Mukhamedshin, A. S. Roussetsky, V. A. Ryabov, O. G. Ryazhskaya, T. Saito, H. Sasaki, A. L. Shchepetov, N. M. Sobolevsky, N. I. Starkov, V. A. Tsarev, A. Wolfendale, G. T. Zatsepin, G. B. Zhdanov, A. P. Zhukov. The INCA Projectfor Direct Studies ofPrimary Cosmic Rays up to the «Knee» Energy Range '05-'016 eV. Preprint No.47, Lebedev Physical Institute RAS, Moscow, 1998.

Ф-т 60x84/8. Уч.-издл 0,91 Зак. №21481 Тираж 100 экз. Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук

117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

/ ь* \

' ^»»»"Юша.* \

и гол «U,;^/

а 14 4

Введение.

Глава 1. Методы и проблемы моделирования переноса частиц в сложных средах

§1.1. Описание современных транспортных кодов

§ 1.2. Сравнение кодов. Выбор наилучшего для моделирования нейтронного сигнала

§ 1.3. Интегрированная система разработки входных файлов для транспортных кодов

Глава 2. Моделирование экспериментальных установок нейтронного комплекса ИЯИ. Спектрометр по времени замедления (СВЗ-100) и импульсный источник нейтронов (ИН-06)

§2.1. Постановка задачи для моделирования СВЗ

§2.2. Моделирование сферического СВЗ

§ 2.3. Влияние формы представления нейтронных сечений

§ 2.4. Расчет СВЗ реальной геометрии

§ 2.5. Интенсивность нейтронного потока

§ 2.6. Результаты моделирования СВЗ

§ 2.7. Импульсный источник нейтронов (ИН-06)

§ 2.8. Моделирование генерации и переноса нейтронов в мишени

§ 2.9. Моделирование нейтронных потоков на выходах нейтронных каналов

Глава 3. Моделирование нейтронного сигнала для получения информации о первичном излучении

§3.1. Применение нейтронного сигнала в приборах физики космических лучей

§ 3.2. Система мониторинга потерь пучка линейного ускорителя SNS

Компьютерное моделирование процесса взаимодействия адронов со сложными макроскопическими мишенями является необходимым этапом широкого круга исследований в фундаментальной и прикладной ядерной физике.

При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц и ядерной астрофизике, на ускорителях, на спутниках и орбитальных станциях, необходимо компьютерное моделирование экспериментальной установки с целью предсказания фоновых условий, отклика детекторов и т. п.

Ряд важных научно-технических проблем включает, как необходимый этап их решения, расчетно-теоретические исследования физики ядерно-каскадного процесса в среде. Расчеты генерации нейтронов в протяженных тяжелых мишенях под действием интенсивного пучка протонов ("spallation''-процесс) необходимы в контексте проблем нейтронной физики, ядерной физики, ускорительной физики.

Рождение нейтронов под действием адронов высоких энергий имеет место в области физики космических лучей.

Максимально приближенное к действительности компьютерное моделирование физических экспериментов требует разработки универсальных компьютерных программ, которые осуществляют моделирование всех значимых физических процессов.

Все перечисленное подтверждает актуальность темы настоящей диссертации.

Как известно, основным методом теоретического описания взаимодействия частиц со сложными мишенями в настоящее время является статистическое компьютерное моделирование (метод Монте-Карло). Поэтому универсальные компьютерные программы (общепринятое название - транспортные коды - "transport codes"), позволяющие проводить такое моделирование, являются обязательной частью современного инструментария в физике ядра и элементарных частиц и образуют важное направление в методике исследований.

Предметом настоящей диссертации являются применение транспортных кодов для моделирования установок нейтронного комплекса ИЯИ РАН и моделирование вторичных нейтронов для восстановления первичного излучения.

Использовались отечественный транспортный код SHIELD [1], разработанный в ИЯИ РАН, а также известные программы MCNP/MCNPX (LANL) [2] и Geant4 (CERN) [3].

В Главе 1 проводится анализ современных транспортных кодов, а также описан разработанный автором дружественный пользовательский интерфейс J Shield, позволяющий подготавливать входные файлы, описывающие геометрию и химический состав мишени единообразно для всех трех кодов в диалоговом режиме с визуализацией геометрии мишени.

В Главе 2 - основной главе диссертации - центральное место занимает изучение процесса распространения нейтронов в спектрометре по времени замедления СВЗ [5,6]. Благодаря специфическим нейтронным свойствам свинца, этот процесс имеет ряд интересных особенностей. Выполнено детальное моделирование пространственно-временной картины нейтронных полей в большом массиве свинца порядка 100 тонн. Хотя идея СВЗ была предложена 50 лет назад, такое подробное компьютерное моделирование ранее не проводилось.

Обнаружена, не обсуждавшаяся ранее, бимодальность нейтронного спектра при малых временах замедления, обусловленная вкладом неупругого рассеяния. Подтверждено предположение о зависимости разрешения спектрометра от расстояния от измерительного канала до источника нейтронов. Изучена зависимость константы замедления от эффективной средней плотности свинца, т.е. от наличия измерительных каналов и качества сборки спектрометра. Рассмотрен методический вопрос о влиянии формы представления нейтронных сечений (многогрупповое или точное) на результаты моделирования. Вычислены интенсивности потоков нейтронов в разных измерительных каналах СВЗ-100 в разные моменты времени при проектных и реальных параметрах пучка ускорителя, что имеет большое практическое значение для постановки экспериментов.

Также в Главе 2 представлены результаты расчетов интенсивности и спектров нейтронов вылетающих из мишени и во всех семи измерительных каналах импульсного источника нейтронов ИН-06 [7]. Моделирование проводилось для водоохлаждаемой вольфрамовой мишени с двумя водяными замедлителями, установленной в источнике в настоящее время, как при проектных, так и при фактических параметрах протонного пучка. Использовалась связка кодов SHIELD+MCNP.

Последняя Глава 3 посвящена использованию вторичных нейтронов для восстановления первичной картины облучения. В этой главе на примере ионизационного калориметра [8] и нейтронного супермонитора [9] продемонстрирована возможность использования нейтронного сигнала для восстановления характеристик космических лучей.

Совершенно иной по области применения, но аналогичной по целям и подходу к решению является задача о диагностике потерь пучка сильноточного линейного ускорителя протонов в проекте SNS по показаниям нейтронных детекторов системы диагностики пучка.

Необходимо отметить, что, в отличие от Главы 2, где моделирование нейтронных потоков на экспериментальных установках и являлось основной целью, в последней главе моделирование приборов физики космических лучей служит демонстрацией метода применения транспортных кодов для решения обратной задачи. Аналогично моделирование генерации нейтронов в конструктивных материалах ускорителя служит примером комплексного применения транспортных кодов для восстановления потерь ускорителя.

В Заключении кратко приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Выводы

На текущий момент система мониторинга потерь находится в начальной стадии разработки, но первые успешные результаты сравнения эксперимента с модельными расчетами подтверждают правильность выбранной методологии для комплексного решения такого рода задач.

• На примере задач настоящего параграфа, комплекс JShield, описанный подробно в Главе 1, показал свою полезность и удобство для конечного пользователя.

• Измерения и расчеты нейтронных сигналов, полученные в рамках системы мониторинга, находятся в удовлетворительном согласии.

• Результаты измерений указывают на целесообразность использования нейтронных детекторов, как более чувствительных к общей картине потерь (тогда как гамма-детекторы хороши для локализованных потерь).

Заключение

В диссертации рассмотрены два способа применения транспортных кодов: прямое моделирование нейтронных потоков для установок нейтронной спектрометрии и использование вторичных нейтронов для решения обратной задачи.

Материал, изложенный в Главах 1-3, позволяет сделать следующие основные выводы, выносимые на защиту.

1. Автором разработан компьютерный интерфейс, позволяющий автоматизировать приготовление входных файлов для различных транспортных кодов (SHIELD, MCNPX,GEANT4), что существенно упрощает сравнительный анализ расчетных результатов, полученных с помощью разных программ переноса, а также совместное использование этих кодов. Интерфейс также позволяет в едином виде визуализировать результаты моделирования.

2. Произведен комплексный расчет установок нейтронного комплекса ИЯИ РАН: a. Получен и объяснен эффект бимодальности спектра нейтронов, замедляющихся в СВЗ b. Получены численные характеристики СВЗ, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными (разрешение установки, константа замедления). c. Впервые проведено детальное моделирование импульсного источника нейтронов ИН-06, форма расчетного спектра на выходе нейтроноводного канала находится в хорошем согласии с экспериментом.

3. Автором продемонстрирована широта применения нейтронного сигнала в качестве источника информации о первичном излучении. Предложена система мониторинга потерь пучка линейного ускорителя, главным элементом которой является исследование нейтронного сигнала с нейтронных датчиков потерь.

Результаты, защищаемые в диссертации, получены впервые. Они опубликованы в период с 1998 по 2005 год в журналах Nuclear Instruments & Methods, Известия. Академии наук (Серия Физическая), "Краткие сообщения по физике", в трудах Международных конференций и совещаний, в виде препринтов отечественных Научных организаций [5-9, 95-99].

В заключение автор считает своим приятным долгом поблагодарить своего научного руководителя и учителя д.ф.-м.н. Н.М. Соболевского за проявленное им терпение, заведующего ЛНИ ИЯИ д.ф.-м.н. А.Д. Перекрестенко за большое внимание к диссертации, к.ф.-м.н. С.Ф. Сидоркина за предоставленные графические схемы ИН-06. Также автор благодарен всему коллективу Лаборатории Нейтронных Исследований ИЯИ за дружескую атмосферу и многочисленные обсуждения тематики диссертации.

1. S. Agostinelli et al. GEANT4: A Simulation Toolkit. NIM A 506(2003) 250303

2. JShield Integrated Development Environment for Monte-Carlo Simulations of particle transport. SNS project, Software Library, ORNL

3. А.А. Бергман, O.H. Гончаренко, А.П.Жуков, А.Д.Перекрестенко, Н.М.Соболевский. Моделирование переноса нейтронов в спектрометре по времени замедления в свинце (СВЗ) методом Монте-Карло. Препринт ИЯИ РАН 1089 Москва, 2002

4. А.А.Бергман, О.Н.Гончаренко, А.П.Жуков, А.Д.Перекрестенко, Н.М.Соболевский. Интенсивность нейтронного потока в спектрометре по времени замедления в свинце (СВЗ). Расчет методом Монте-Карло. Препринт ИЯИ РАН 1099/2003, Москва

5. А.П.Жуков, А.Д.Перекрестенко, С.Ф.Сидоркин, Н.М.Соболевский. Спектры нейтронов импульсного источника нейтронов ИН-06 ИЯИ РАН. Препринт ИЯИ РАН, Москва, 2005 (в печати).

6. K.V.Alexandrov, M.Ambrosio, V.V.Ammosov, V.P.Antonova, C.Aramo, V.Bonvicini, V.A.Chechin, A.P.Chubenko, V.I.Drobzhev,

7. A.D.Erlykin, M.Fujii, Y.Hatano, S.V.Kryukov, E.A.Ladygin,

8. В.П.Антонова, Л.И.Вильданов, А.П.Жуков, Г.Б.Жданов, С.В.Крюков, Р.А.Мухамедшин, В.В.Оскомов, В.В.Пискаль, Т.Х.Садыков, Н.М.Соболевский, А.П.Чубенко, А.Л.Щепетов.

9. Калибровка нейтронного монитора НМ-64 и связь спектра кратностей нейтронов с энергетическим спектром адронов на уровне гор. Изв. Академии наук, Сер. Физическая, 66 (2002) 1578.

10. A.V.Dementyev, N.M.Sobolevsky. SHIELD Universal Monte Carlo Hadron Transport Code: Scope and Applications. Radiation Measurements, 30(1999)553.

11. N.Sobolevsky. Space Radiation Shielding and Environment Applications with the SHIELD Transport Code. Geant4 Space Users' Forum, 20-22 January 2003, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands.

12. MCNP™ -A General Monte Carlo N-Particle Transport Code. Version 4B. J.F.Briesmeister, Ed. LANL report LA-12625-M (March, 1997).

13. L.S.Waters, Ed. MCNPX User's Manual, Version 2.4.0. Los Alamos National Laboratory Report LA-CP-02-408 (September 2002).2Q.MCNPX home page, http://mcnpx.lanl.gov/

14. MCNPX 2.4.0. distribution. Radiation Safety Information Computational Center (RSICC) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). http://www-rsicc.ornl.gov/

15. GEANT4 homepage http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant4/geant4.html

16. R.Brun et al. GEANT User Guide and Reference Manual CERN DD/78/2.

17. V. N. Ivanchenko et al Geant4: physics potential for instrumentation in space and medicine. NIM A: Volume 525, Issues 1-2,1 June 2004, Pages 402-405

18. N.V. Mokhov, K.K. Gudima, S.G. Mashnik et al. Physics Models in the MARS15 Code for Accelerator and Space Applications , Fermilab-Conf-04/269-AD

19. M.A. Kostin and N.V. Mokhov. Parallelizing the MARS15 Code with MPlfor Shielding Applications ,Fermilab-Conf-04/054

20. MARS Code System http://www-ap.fnal.gov/MARS/

21. EGS homepage http://www.slac.stanford.edu/egs/

22. W.R.Nelson, H.Hirayama, D.W.O.Rogers. The EGS4 Code System, SLAC-265 (1985).

23. Л.Р.Абагян, Н.О.Базазянц, М.Н.Николаев, А.М.Цибуля. Групповые константы для расчета реакторов и защиты. Энергоиздат. Москва, 1981.

24. V.D.Toneev, K.K.Gudima. Nucl. Phys. A400 (1983) 173c.

25. Н.С.Амелин, К,К,Гудима, В.Д.Тонеев. Ядерная Физика 51 (1990) 1730.

26. Н.С.Амелин, К,К,Гудима, С.Ю Сивоклоков, В.Д.Тонеев. Ядерная Физика 52(1990) 272.

27. K.K.Gudima, S.G.Mashnik, V.D.Toneev. Nucl. Phys. A401 (1983)329.

28. A.S.Botvina, A.S.IIjinov, I.N.Mishustin et al. Nucl. Phys. A475 (1987) 663.

29. Г.Д.Адеев, А.С.Ботвина, А.С.Ильинов и др. Метод расчета массово-энергетических распределений осколков деления ядер частицами средних энергий. Препринт ИЯИ РАН 816/93, Москва, 1993.

30. A.S.Botvina, A.S.IIjinov, I.N.Mishustin. Nucl. Phys. A507 (1990) 649.40 .Japanese Evaluated Nuclear Data Libraryhttp://wwwndc.tokai.jaeri.qo.jp/jendl/jendl.html41 .Extensible Markup Language (XML) World Wide Web Consortium http;//www.w3.org/XML/

31. Standard Generalized Markup Language (SGML) IS08879. International Organization for Standardization (ISO) http: //www, iso. org/

32. Л.ЕЛазарева, Е.Л.Фейнберг, Ф.Л.Шапиро. ЖЭТФ 29 (1955) 381

33. Исследования по нейтронной физике. Труды ФИАН им. Лебедева. Наука. Москва, 196

34. Ж.-А.М. Джилкибаев, М.В.Казарновский. Пространственно-энергетически-временное распределение нейтронов от импульсного источника в свинце и разрешающая способность спектрометра по времени замедления. Препринт ИЯИ РАН П-0191 Москва, 1981

35. Ю.П.Попов. Спектрометрия нейтронов по времени замедления в свинце. Сборник "Физика элементарных частиц и атомного ядра" 26 (1995) 1503-1523

36. A.A.Alexeev , A.A.Bergman, et al. New 100-tonn neutron slowing down spectrometer oflNR. First experiments on (n,y) and (njission) reactions. IX International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (ISINN-9), Dubna, May 23-26, 2001, p. 11-16

37. TARC Collaboration Neutron Driven Nuclear Transmutation by Adiabatic Resonance Crossing, CERN-SL-99-038 EET

38. C.Rubia, Relation between Time and Kinetic Energy in a Constant Lethargy Medium, CERN/AT/ET Internal Note 95-110

39. A.A. Bergman et al., International Conference on the peaceful Uses of Atomic Energy, 1, Geneva, 1955, p. 642

40. A.A. Bergman et al., Sov. Phys. JETP 6 (1958) 6.

41. M. Sawan and R.W. Conn, Nucl. Sci. Eng., 54 1974) 127

42. Jeng-Chang Chou and H. Werle, J. Nucl. Energy, 27 (1973) 811

43. Yu.Ya.Stavissky. Neutron facilities of Moscow meson and kaon factories. Proc. of 11th Meeting of International Collaboration on Advanced Neutron Sources ICANS- XI, October 22-26, 1990, KEK, Tsukuba, Japan, p.87.

44. Р.Г.Васильков, В.И.Гольданский, В.В.Орлов. Об электрическом бридинге. УФН, 139 (1983) 435.

45. C.Rubbia, S.Buono, Y.Kadi, J.A.Rubio. Fast Neutron Incineration in the Energy Amplifier as Alternative to Geologic Storage: the Case of Spain. CERN/LHC/97-01 (EET).

46. C.Rubbia, S.Buono, E.Gonzales, Y.Kadi, J.A.Rubio. A Realistic Plutonium Elimination Scheme with Fast Energy Amplifies and Thorium-Plutonium Fuel. CERN/AT/95-53 (ET).

47. C.Rubbia, J.A.Rubio, S.Buono et al. Conceptual Design of a Fast Neutron Operated High Power Energy Amplifier. CERN/AT/95-44(ET), Geneva, 1995.

48. В.И.Субботин. Ускорители могут сделать ядерную энергетику более безопасной. Сообщение ОИЯИ Р1-99-97, Дубна, 1999.

49. Э.А.Коптелов, Л.И.Кравчук, С.Марков, В.А.Матвеев,

50. Yu.M.Bulkin, M.T.Vorontsov, M.I.Grachev, M.V.Kazarnovsky, N.V.Kolmychkov, V.M.Lobashev, S.V.Serezhnikov, S.F.Sidorkin, Yu.Ya.Stavissky, V.I.Trushkin, V.V.Khmelschikov, N.A.Khryastov.

51. Complex of neutron sources for physical researches on the basis ofproton beam of meson factory. Conference on neutron generators Gaussik, GDR. 1984

52. Yu.M.Bulkin et.al. Assembly of neutron sources based on proton beams of Moscow meson factory. Neutron Scattering in the 'nineties, IAEA, VIENNA, 1985, p.369.

53. N.V.Kolmychkov, V.D.Laptev, V.A.Matveev, L.N.Latisheva, S.V.Serezhnikov, S.F.Sidorkin, N.M.Sobolevsky, Yu.Ya.Stavissky,

54. S.F.Sidorkin, E.A.Koptelov, A.D.Perekrestenko, Yu.Ya.Stavissky,

55. V.I.Trushkin, N.M.Sobolevsky. Neutron targets of Moscow meson facility. Status, problems, prospects. Proc. of the 15th Meeting of International Collaboration on Advanced Neutron Sources ICANS-XV, November 6-9, 2000, Tsukuba, Japan, p. 1208.

56. A.D.Dementyev, V.V.Khodakovsky, S.G.Lebedev, S.F.Sidorkin, O.N.Smirnova, N.M.Sobolevsky, Y.Y.Stavissky. Targets of neutron complex oflNR RAS. Proceedings of the International Workshop of JHF Science (JHF 98). V.3, KEK, Tsukuba, Japan. March 3-7, 1998.

57. S.F.Sidorkin, Yu.Ya.Stavissky. Multiplying neutron targets on the basis of proton beam of the Moscow meson factory. Neutron physics. Maters of the 1-st International conference on neutron physics, Kiev 21.09-25.09 1987, v.4, p. 15. Moscow 1988.

58. K.V.AIexandrov, V.V.Ammosov, A.P.Chubenkol, G.I.Merzonl, R.A.Mukhamedshin, V.N.Murashov, V.P.Pavlyuchenko, V.A.Ryabov, O.G.Ryazhskaya, T. Saito, A.L.Shchepetov, N.M.Sobolevsky, I.S.Trostin, V.A.Tsarev, G.T.Zatsepin, G.B.Zhdanov, A.P.Zhukov. The

59. CA Collaboration: Present status and outlook. Proc. of 27th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, Germany, 07-15 August 2001, pp. 21712174

60. Simpson J.A., Fongen W., and Treiman S.B.,Phys. Rev.A, 90,934 (1953)

61. Дорман Л.И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, Москва, Наука, 1975

62. Ryazhskaya O.G., Thesis, Dr. Phys.-Mat. Sci., Moscow INR, Ac. Sci USSR, 1986

63. Еникеев Р.И., Зацепин Г.Т., Королькова E.B. и др. Ядерная Физика 46,5(11), с.1492 (1987)

64. Амосов В.В., Меерзон Г.И. и др. Письма в ЖТФ. 24, 18 (1998) с.35

65. Hatton C.J., Carmchael H.//Canad. J. Phys. 1 (1964) 12 p. 2442

66. Hatton C.J., //Progress in Elem. Phys.: Particles and Cosmic Ray Phys. 10 (1971) p.3

67. Shen M.-L. //Suppl. Nuovo Cimento. 4 (1968) p.1435

68. Васильков Р.Г. и др. ЯФ 7(1968) 88

69. М.И. Адамович и др. Труды ФИАН 108 (1979) 65

70. М. Козодаева и др. ЯФ, 22 (1975) 730

71. Spallation Neutron Source, http://www.sns.gov91 .S. Assadi LIN AC Beam Diagnostics Performance and Progress Report. SNS ASAC Review, September 2004

72. Report on the Pulsed Polarized Neutrons Workshop, February 2003, Gaitherburg, Maryland (Rev. 1, 08-09-04)http://www.sns.gov/documentation/pulsedpolarizedneutronsworkshopr l08-09-04.pdf

73. D. Jeon and J. Stovall, SNS Linac Commissioning Transverse Matching, Proc. of 2003 Particle Accelerator Conference, p.2652, Portland, Oregon, USA, 2003.

74. Phase and Radial Motion in Ion Linear Accelerators (PARMILA) http://laacg 1 .lanl.gov/laacg/services/parmila.html