Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях

Санников, Александр Венедиктович

Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Санников, Александр Венедиктович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Протвино МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.23 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях»

Автореферат диссертации на тему "Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

2006-21 На правах рукописи

Санников Александр Венедиктович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ СПЕКТРОМЕТРИИ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БОЛЬШИХ ПРОТОННЫХ УСКОРИТЕЛЯХ

01.04.23 — физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 2006

УДК 539.1.07

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).

Научный руководитель — доктор физико-математических наук, профессор В.Н. Лебедев (ИФВЭ, г. Протвино).

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук, профессор Л.А.Трыков (ФЭИ, г. Обнинск), доктор физико-математических наук Г.Н.Тимошенко (ОИЯИ, г. Дубна).

Ведущая организация — Московский инженерно-физический институт (Государственный университет) (г. Москва).

Защита диссертации состоится "_"_2006 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д 201.004.01 при Институте физики высоких энергий по адресу: 142281, г. Протвино Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_"_2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 201.004.01 Ю.Г.Рябов

Государственный научный центр

Российской Федерации

Институт физики высоких энергий, 2006

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Различные методы спектрометрии нейтронного излучения широко используются на ядерно-физических установках для целей дозиметрии и защиты персонала. Необходимость их применения обусловлена широким диапазоном энергий нейтронов за биологическими защитами - от 10"8 до 10 МэВ на реакторах и до сотен МэВ на ускорителях — и невозможностью измерения доз нейтронов с требуемой точностью во всем этом диапазоне с помощью простых дозиметрических систем.

Наиболее сложной проблемой является индивидуальная дозиметрия нейтронов, особенно после введения эффективной дозы в качестве нормируемой величины и новых операционных величин для ее оценки — амбиентного эквивалента дозы Н*( 10) для оперативного контроля и индивидуального эквивалента дозы Нр(\0) для индивидуального контроля. В отличие от ранее измерявшейся максимальной эквивалентной дозы, последняя величина зависит не только от энергетического, но и от углового распределения внешнего излучения.

Задачи контроля характеристик индивидуального дозиметра нейтронов ИФВЭ на основе ядерной фотоэмульсии МК-20, а также исследования чувствительности перспективных индивидуальных дозиметров за защитой протонного синхротрона ИФВЭ стимулировали разработку пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов (ПДСН) и основанной на его использовании методики калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения в терминах Нр{ 10).

Другой областью исследований, результаты которых приведены в диссертации, является применение спектрометров Боннера для измерения высокоэнергетических нейтронных спектров в опорных полях ЦЕРН и на вершине горы Цугшпитце (~3000 м). Эти работы выполнены автором во время зарубежных командировок в ЦЕРН (Женева) в 1993-94 гг. и ОБР (Мюнхен) в 1995-96 гг. в рамках научной программы «Радиационная безопасность воздушных полетов», финансировавшейся Европейским союзом. Актуальность этой проблемы также была обусловлена концептуальными изменениями в системе дозиметрических величин и дозовых пределов, в результате которых экипажи высотных лайнеров и часто летающие пассажиры попали в категорию профессионально облучаемого персонала.

Цель диссертационной работы — разработка средств измерения спектральных и дозовых характеристик нейтронов в высокоэнергетических полях излучения, установление энергетических зависимостей чувствительности используемых детекторов, разработка современных программ восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров, а также применение разработанных средств и методов для исследования характеристик полей нейтронов на больших протонных ускорителях и для калибровки в этих полях индивидуальных дозиметров нейтронов.

Автор защищает:

• Разработку пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов для высокоэнергетических ускорителей и основанной на его применении методики калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения с произвольным угловым распределением.

• Результаты исследований чувствительности индивидуальных дозиметров нейтронов за защитой протонного синхротрона ИФВЭ на 70 ГэВ, явившиеся основой физического обоснования ряда новых перспективных индивидуальных дозиметров нейтронов.

• Результаты расчетов энергетических зависимостей чувствительности спектрометров Боннера на основе индиевого активационного детектора, 1л1 н 3Не-счетчиков, в том числе в области высоких энергий нейтронов до 1,5 ГэВ.

• Разработку новых программ восстановления спектров нейтронов по показаниям различных спектрометров, основанных на перспективном методе параметризации.

• Результаты измерений нейтронных спектров и дозиметрических характеристик полей излучения за защитами ускорителей ИФВЭ и ЦЕРН, а таюке на вершине горы Цугшпитце (ФРГ), с помощью ПДСН и спектрометров Боннера.

Научная новизна и практическая ценность. Разработан и внедрен в практику дозиметрических измерений на протонном синхротроне ИФВЭ пассивный дозиметр-спектрометр нейтронов. Исследованы спектры нейтронного излучения и закономерности формирования дозы нейтронов в экспериментальном зале ускорителя.

трековых и комбинированных дозиметров в реальных условиях облучения персонала за защитой ускорителя.

Впервые рассчитаны энергетические зависимости чувствительности спектрометра Боннера с индиевым активационным детектором, который используется в ЦЕРН, ИФВЭ и других центрах. Полученные результаты показали, что функции чувствительности данного спектрометра сильно отличаются от рассчитанных ранее для других типов детекторов, что не позволяет использовать литературные матрицы чувствительности для этого спектрометра.

Рассчитаны функции чувствительности спектрометров Боннера с детекторами тепловых нейтронов трех типов (индиевый активационный детектор, Lil и 3Не-счетчики) к нейтронам с энергиями от 20 МэВ до 1,5 ГэВ, дающие возможность расширить область применения этих спектрометров на высокоэнергетические спектры за защитой ускорителей и в атмосфере. Выполнен анализ дополнительных механизмов регистрации высокоэиергетических нейтронов при использовании детекторов активного типа и оценен их вклад в чувствительность.

Разработаны программы восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров, в том числе универсальная программа BON95, превосходящая по основным характеристикам имеющиеся аналоги. Их отличительными особенностями являются оптимальный способ учета закономерностей формирования нейтронных спектров, объективность получаемого решения (независимость от пользователя) и корректный анализ неопределенностей.

Измерен спектр нейтронного излучения на вершине горы Цугшпитце (-3000 м) с помощью высокочувствительного спектрометра Боннера GSF. Полученные данные могут рассматриваться в качестве результатов базового эксперимента и уже использовались для тестирования моделей расчета формирования нейтронных спектров в атмосфере под действием космических излучений.

Апробация работы и публикации

Диссертация основана на результатах исследований, выполненных автором в период 1987-1997 гг. в Отделе радиационных исследований ИФВЭ, ЦЕРН и GSF.

Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы в препринтах ИФВЭ, ОИЯИ и ЦЕРН, журналах "Атомная энергия", "Kernenergie", "Radiat. Prot. Dosim." и "Nucí. Instrum. Methods". Они также докладывались на Международных симпозиумах по физике радиационной защиты в 1987 г. (Вайнбёла, ГДР) и 1992 г. (Гауссиг, ФРГ); на Международных симпозиумах по нейтронной дозиметрии в 1992 г. (Берлин, ФРГ) и 1995 г. (Париж,

Франция); на 3-м Совещании специалистов по проблемам защиты ускорителей, мишеней и облучательных установок в 1997 г. (Сендаи, Япония).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации — 75 страниц текста, в том числе 45 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Содержание работы

В первой главе диссертации описан пассивный дозиметр-спектрометр нейтронов, методика восстановления нейтронных спектров и методика калибровки с помощью ПДСН индивидуальных дозиметров нейтронов на фантомах за защитой ускорителя в полях рассеянного излучения с произвольным угловым распределением. Приведены результаты измерений нейтронных спектров и чувствительности различных индивидуальных дозиметров нейтронов за защитой протонного синхротрона ИФВЭ.

Индивидуальные дозиметры нейтронов, использующиеся в настоящее время, имеют, как правило, значительную энергетическую зависимость чувствительности, что вносит большую неопределенность в результаты индивидуального контроля доз нейтронов. Для снижения этой погрешности используется калибровка индивидуальных дозиметров нейтронов непосредственно в местах работы персонала. Другой подход основан на применении комбинированных дозиметров, включающих два или более детектора нейтронов с различными функциями чувствительности, что позволяет оценивать жесткость спектра нейтронов и вносить поправку в показания детекторов. Этот метод более перспективен для высокоэнергетических ускорителей, где поля излучения могут быстро меняться во времени и в пространстве.

Исследования чувствительности комбинированных дозиметров за защитой протонного синхротрона ИФВЭ [3-6] показали, что основной проблемой при проведении экспериментальных исследований такого рода является монитори-рование индивидуального эквивалента дозы нейтронов II р (10), который должен измеряться индивидуальным дозиметром. Широко используемые для этих целей дозиметры с изотропной чувствительностью не позволяют однозначно интерпретировать показания индивидуальных дозиметров, облучаемых на фантоме в полях рассеянного излучения с произвольным угловым распределением.

Анализ методов калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения и опыт нашей работы позволили сформулировать основ-

ные требования к средству измерения индивидуального эквивалента дозы нейтронов Нр (10), который должен:

• размещаться на фантоме вблизи индивидуальных дозиметров, иметь небольшие размеры и слабо возмущать поле излучения;

• быть пассивным для возможности проведения облучений в ряде точек за длительные промежутки времени;

• иметь достаточно высокую чувствительность и небольшую погрешность измерения дозы в нейтронных спектрах различной жесткости;

• иметь низкую чувствительность к фотонам и заряженным частицам. Практически единственным методом, удовлетворяющим всем перечисленным требованиям, является метод, основанный на применении делящихся изотопов. Достаточно большие сечения деления тяжелых ядер, широкий диапазон энергий регистрируемых нейтронов (от тепловой до десятков ГэВ), высокая избирательность по отношению к фотонам и заряженным частицам и небольшие размеры делают его перспективным для использования не только на реакторах, но и на ускорителях.

В состав ПДСН [7] входят мишени из 235и в кадмиевом и борном (толщиной 0,36 г-с м-2 |0В) фильтрах, 237Кр, 238и, 232ТЬ и 209Вь Энергетические зависимости сечений деления используемых нуклидов приведены на рис. 1. Борные фильтры

Е (МеУ)

Рис. 1. Энергетические зависимости сечений деления нуклидов, используемых в ПДСН, и удельного эквивалента кермы нейтронов Л(£).

изготавливались путем полимеризации эпоксидной смолы в смеси с порошком аморфного бора, обогащенного выше 90% изотопом 10В, в тефлоновых формах. Размеры кадмиевых и борных фильтров составляют 022x5 мм и 030x15 мм,

соответственно. Делящиеся мишени массой 1-2 мг и площадью 1 см2, нанесенные на алюминиевые подложки диаметром 19 мм, размещались в кадмиевых и борных фильтрах в контакте с лавсановыми трековыми детекторами толщиной 6 мкм.

При проведении калибровки индивидуальных дозиметров в качестве фантомов использовались сферические полиэтиленовые замедлители радиационных мониторов (РМ) диаметром 25,4 см, входящих в состав автоматизированной системы радиационного контроля ИФВЭ. Индивидуальные дозиметры и ПДСН размещались на фантомах со стороны предполагаемого максимума интенсивности излучения. Показания ПДСН интерпретировались в терминах эквивалента кермы нейтронов (рис. 1) для исключения двойного учета вклада (п,/)-реакций в фантоме, измеряемого индивидуальным дозиметром фотонов [8]. Для восстановления нейтронных спектров разработана программа UNFOLD, в которой синтезированы метод параметризации, используемый при поиске начального решения, и метод итераций. Неопределенности полученного спектра и интегральных величин оцениваются методом вариации экспериментальных данных.

Измерения проводились за верхней и боковой защитами экспериментального зала протонного синхротрона ИФВЭ на 70 ГэВ. Результаты измерений [7] показали, что наиболее интенсивным источником нейтронного излучения в экспериментальном зале является участок верхней защиты вблизи РМ-43 (восточная часть зала), что связано с близким расположением основных внутренних мишеней в кольцевом зале ускорителя. С удалением от точки РМ-43 к РМ-51 (вблизи перехода через защиту) мощность дозы нейтронов за верхней защитой снижается более чем в 100 раз.

За боковой защитой также наблюдается небольшое, но систематическое уменьшение мощности дозы нейтронов с удалением от РМ-43. Это говорит о том, что основным компонентом нейтронного излучения в большинстве точек экспериментального зала являются рассеянные нейтроны, приходящие с небольшого участка верхней защиты. В зонах каналов вывода вторичных частиц ситуация, как правило, более сложная и зависит от режима работы каналов.

Характерные спектры нейтронов, измеренные ПДСН за верхней и боковой защитой ускорителя, представлены на рис. 2. Наиболее жесткий спектр с максимумом при энергии около 80 МэВ и относительно малым вкладом промежуточных нейтронов наблюдается в точке РМ-43. Спектр в точке РМ-51 иллюстрирует характер изменения нейтронных спектров за верхней защитой при уменьшении флюенса нерассеянных нейтронов, выходящих из защиты вблизи точки измерения, и увеличении вклада рассеянного излучения. В качестве характерного спектра нейтронов за боковой защитой представлен спектр, измеренный на РМ-7. Наиболее мягкий спектр нейтронов обнаружен в точке РМ-13, вблизи транспортного лабиринта в кольцевой зал ускорителя, где преобладают многократно рассеянные нейтроны.

Рис.' 2. Спектры нейтронов, измеренные ПДСН за защитой протонного синхротрона ИФВЭ.

ПДСН использовался для калибровки и исследования чувствительности индивидуальных дозиметров нейтронов и перспективных детекторов за защитой протонного синхротрона ИФВЭ в 1988-1993 гг. В каждом сеансе индивидуальные дозиметры и ПДСН облучались в десяти точках экспериментального зала с достаточно большой мощностью дозы нейтронов. За время измерений было получено большое количество экспериментальных данных по чувствительности различных детекторов нейтронов в полях излучения ускорителя и выполнено экспериментальное обоснование ряда новых индивидуальных дозиметров, в том числе наиболее перспективных - комбинированных альбедо-трековых дозиметров. *

На рис. 3 показаны экспериментальные данные [3-6] за защитой ускорителя для четырех типов комбинированных дозиметров на основе делящихся мишеней в сравнении с расчетными зависимостями [1-2]. Детектор 235и(Сс1) выполняет здесь роль альбедного детектора, регистрирующего низкоэнергетическую часть спектра нейтронов, остальные детекторы - роль трекового (порогового) детекто-. ра. Значения чувствительности представлены в зависимости от отношения показаний трекового и альбедного детекторов М, / Ма, которое является параметром жесткости спектра, определяющим величину поправочного коэффициента для одного из детекторов комбинированного дозиметра. В целом расчетные зависимости хорошо согласуются с экспериментальными данными, за исключением дозиметра 235и(,0В)+235и(С(1). Причиной расхождений в этом случае являются отличия использованных нами литературных спектров нейтронов от реальных спектров в области промежуточных энергий, поэтому в дальнейшем мы использовали экспериментальную зависимость для данного комбинированного дозиметра (штриховая кривая).

Недостатками дозиметров на основе Пи Ыр является фон спонтанного деления. Применимость последнего в индивидуальном контроле ограничена также из-за у-радиоактивности этого нуклида.

Наиболее перспективным является впервые предложенный автором вариант комбинированного дозиметра 235и('°В) +235и(Сс1). Он имеет наименьшую погрешность измерения доз менее 4 мЗв среди рассмотренных дозиметров. Его преимущества еще более возрастают при измерении доз нейтронов с мягкими спектрами, характерными для условий работы персонала. Комбинированные дозиметры 235и(10В)+ 235и(С<1) и 232ТЬ+233и(Сс1) ис-Рнс. 3. Сравнение экспериментальных и расчетных пользуются в настоящее время зависимостей чувствительности комбинированных в ограниченном объеме на дозиметров нейтронов на основе делящихся мише- атомных ледоколах, атомных ней. Кривые - расчет; черные кружки - верхняя подводных лодках и предпри-дащита; светлые - боковая. ятиях ядерного топливного

цикла. Их более широкое применение ограничено из-за наличия в дозиметрах радиоактивных и высокотоксичных веществ.

На рис. 4 приведены экспериментальные значения дозовой чувствительности комбинированного дозиметра на основе ядерной фотоэмульсии МК-20 и альбедного дозиметра за защитой ускорителя и в опорных полях нейтронов ИФВЭ. Пленка МК-20 до настоящего времени применяется в индивидуальном дозиметрическом контроле в ИФВЭ. Альбедный дозиметр, для которого приводятся экспериментальные данные, является одним из исследовавшихся нами вариантов и представляет собой две пары ТЛД 61лР и 71лР ДТГ-4 под полиэтиленовым замедлителем толщиной 10 мм, покрытым сверху кадмием. Несмотря на то, что диапазон дозовой чувствительности МК-20 за защитой ускорителя составляет более порядка, при использовании ее в составе комбинированного дозиметра отклонение экспериментальных данных от градуировочной зависимости для ускорительных спектров составляет не более 30%.

Описанный выше альбедный дозиметр нейтронов является прототипом разработанного позднее автором индивидуального дозиметра смешанного излучения ДВГН-01. Применение полиэтиленового замедлителя оказалось оптимальным способом повышения чувствительности дозиметра к быстрым нейтронам и понижения чувствительности к тепловым и промежуточным нейтронам. Конструкция была оптимизирована для возможности одновременного измерения с высокой точностью доз фотонов и заряженных частиц. С этой целью вместо кад-

м/м.

мия используется тонкий борный фильтр для поглощения внешних тепловых нейтронов, для выравнивания энергетической зависимости чувствительности к фотонам применен тонкий медный фильтр, а суммарная толщина тканеэквивалент-ного вещества над детекторами строго соответствует регламентированному значению 1 г-см"2.

Индивидуальный дозиметр смешанного излучения ДВГН-01 в составе автоматизированного комплекса индивидуального дозиметрического контроля АКИДК-301, в разработке которого также принимал участие автор, в течение нескольких лет успешно эксплуатируется на ряде предприятий Росатома и уже является наиболее массовым в РФ индивидуальным дозиметром нейтронов. В 2004 г. ДВГН-01 был введен в эксплуатацию в ИФВЭ, где дозы нейтронов определяются по методике комбинированного дозиметра МК-20+ДВГН, при обосновании которой широко использовались результаты измерений с помощью ПДСН. Разработка ДВГН-01 в составе комплекса работ «Разработка научных и практических основ создания и организация серийного производства комплекса средств термолюминесцентной индивидуальной дозиметрии внешнего облучения персонала и населения» удостоена премии правительства РФ за 2005 г.

Во второй главе рассмотрены вопросы применения индиевого спектрометра Боннера (ИСБ) для исследования спектральных и дозовых характеристик высокоэнергетических опорных полей ЦЕРН. Выполнены расчеты функций чувствительности спектрометра в диапазоне энергий нейтронов от 10~s до 20 МэВ и оценены на основе литературных данных в области высоких энергий до 1 ГэВ. Разработана программа восстановления нейтронных спектров по показаниям спектрометра Боннера BON94. Представлены результаты измерений спектров опорных полей, а также флюенса и амбиентного эквивалента дозы нейтронов в сравнении с расчетными данными и экспериментальными данными, полученны-

Рнс. 4. Дозовая чувствительность пленки МК-20 в зависимости от отношения показаний МК-20 и альбедного дозиметра. Черные кружки - опорные поля; светлые кружки - ускорительные поля; кривая — градуировочная зависимость для ускорительных спектров.

ми с помощью тканеэквивалентных пропорциональных счетчиков HAND! и REM-500.

Высокоэнергетические опорные поля CERN [10] были введены в действие в 1993 г. и продолжают использоваться до настоящего времени при финансовой поддержке Европейского союза в рамках научной программы "Радиационная безопасность воздушных полетов". Данная программа была принята после выхода в свет Публикации МКРЗ № 60, в которой были значительно снижены пределы доз для населения. В результате этих изменений экипажи высотных лайнеров оказались в категории профессионально облучаемого персонала, для которого необходимо проводить оперативный и индивидуальный контроль доз облучения.

Опорные поля созданы на базе канала Н6 протонного синхротрона SPS. Пучок вторичных заряженных частиц (протоны и пионы) с импульсом 205 ГэВ/с направлялся магнитной оптикой канала на медную мишень размерами 07><5О см. Точки измерения находились под углами около 90° к мишени за верхней и боковой бетонными защитами толщиной 80 см и за верхней стальной защитой толщиной 40 см. В качестве монитора использовалась прецизионная ионизационная камера (PIC), размещенная в пучке на удалении от мишени. Мощность дозы в точках измерения могла меняться от нескольких мкЗв/час до нескольких мЗв/час с помощью системы коллиматоров канала Н6. Все характеристики режимов работы канала и показания монитора записывались в режиме on-line на диск компьютера.

В экспериментах в опорных полях CERN в 1993-94 гг. принимали участие более 20 Европейских лабораторий с различными дозиметрами и спектрометрами активного и пассивного типа. Целью измерений была калибровка дозиметров в полях излучения, характерных для высотных полетов (-10 км), и выбор перспективных дозиметров для использования на борту авиалайнеров. В круг задач автора входила характсризация опорных полей с помощью двух различных методик: исследование спектральных (в терминах линейной энергии) и дозовых характеристик смешанного излучения тканеэквивалентными пропорциональными счетчиками HANDI и REM-500, а также измерение нейтронных спектров спектрометром Боннера (СБ).

Индиевый спектрометр Боннера ЦЕРН [11,12,14] состоит из индиевых акти-вационных детекторов, размещаемых внутри сферических полиэтиленовых замедлителей диаметрами 2", 3", 5", 8", 10", 12" и 18". Для измерения флюенса тепловых нейтронов используется также голая индиевая фольга и фольга, покрытая кадмием 1 мм толщиной. Индиевые детекторы имеют форму сферических оболочек с внешним диаметром 20 мм и весом 2 г, окружающих полиэтиленовые сферы диаметром 19,5 мм. Детекторы помещаются в сферы Боннера таким образом, что в конструкции отсутствуют воздушные зазоры и она является сферически симметричной.

по реакции 1щп,у; in, где "6raIn имеет период полураспада 54,1 мин. Фотоны с энергиями 1,09 и 1,29 МэВ избирательно регистрируются сцинтилля-ционным спектрометром Nal типа "колодец". Результатами измерений являются скорости счета в насыщении, которые определяются с учетом времени облучения, времени распада до начала обсчета и времени обсчета.

/ются

116га

1.5

О"

"С(п,2п)"С

0.5

Функции чувствительности ИСБ рассчитывались по разработанной автором программе РАЫЕиТ в диапазоне энергий от тепловой до 20 МэВ [12]. В области высоких энергий ис-

ю'в ю'7 10* м"5 ю"4 ю'3 10 г 10 1 10 10* 10®

В (МеУ)

Рис. 5. Матрица чувствительности индиевого спектрометра Боннера ЦЕРН.

пользовалась оценка литературных данных [14]. Чувствительность и разрешение СБ при этих энергиях малы, поэтому в ИСБ используется также активационный детектор высокоэнергетических нейтронов на основе пластикового сцинтилля-тора, регистрирующий нейтроны по реакции 12С(п,2п)пС. Матрица чувствительности детекторов ИСБ показана на рис. 5. Результаты показывают, что функции чувствительности «голой» индиевой фольги и малых сфер сильно отличаются от соответствующих зависимостей для обычно используемых детекторов тепловых нейтронов из-за наличия мощного резонанса в сечении реакции 1131п(п,у)п6го1п.

При разработке программы восстановления нейтронных спектров по показаниям спектрометров Боннера был выполнен критический анализ существующих методов и сформулированы основные требования к подобным программам:

• точность восстановления спектров;

• гладкость получаемого решения;

• максимально возможное и оптимальное использование априорной информации о форме нейтронного спектра;

• независимость программы восстановления от пользователя и воспроизводимость результатов;

• корректная оценка неопределенностей.

Программа ВСЖ94 [13] создана с учетом этих требовании на основе методов параметризации и итераций. При оценке неопределенностей используется метод

вариации экспериментальных данных в пределах погрешностей измерений и погрешностей функций чувствительности.

Результаты измерений [14] в трех точках опорных полей ЦЕРН приведены в табл. 1. Экспериментальные погрешности в большинстве случаев малы. Определяющую роль в неопределенностях восстановленных спектров играют погрешности функций чувствительности ИСБ (5% при энергиях ниже 20 МэВ и 15% при высоких энергиях) и сечений активации углерода (15%).

Таблица 1. Результаты измерений в опорных полях ЦЕРН индиевым СБ (скорость счета в насыщении) и углеродным детектором (активность в насыщении), нормированные на показания монитора (PIC).

Детектор Верхняя бетонная Верхняя стальная Боковая бетонная

защита защита защита

0"(Cd) 0,019±9,6% 0,100±2,9% 0,029±5,5%

0" 0,066±3,0% 0,169±2,1% 0,137±1,9%

2" 0,071±2,7% 0,755±0,8% 0,137±1,7%

3" 0,108±3,2% 1,838±0,5% 0,18 8± 1,4%

5" 0,147±2,0% 2,850±0,4% 0,222±1,4%

8" 0,117±2,1% 1,923±0,5% 0,180±1,б%

10" 0,098±2,2% 0,884±0,8% 0,148±2,8%

12" 0,078±2,7% 0,517±1,0% 0,128±1,9%

18" 0,055±2,7% 0,116±2,3% 0,073±3,0%

"С 0,75±2,0% 0,86±2,0% 0,84±1,5%

Измеренные спектры нейтронов за верхними бетонной и стальной защитами показаны на рис. 6-7 в сравнении с результатами расчетов по программе РЫЖА92. В целом наблюдается неплохое согласие в обоих случаях. Различие между измеренным и расчетным спектрами не выходит, как правило, за пределы двух среднеквадратичных отклонений восстановленного спектра, за исключением резких пиков и провалов в расчетных спектрах. Программа ВОИ94 дает гладкие решения в широком диапазоне энергий, за исключением области 1-10 эВ, где проявляются нерегулярности в функциях чувствительности голого и кадмиро-ванного индиевого детектора.

Рис. 6. Спектр нейтронов в опорном поле ЦЕРН за верхней бетонной защитой, измеренный ИСБ, в сравнении с расчетным.

Рис. 7. Спектр нейтронов в опорном поле ЦЕРН за верхней стальной защитой, измеренный ИСБ, в сравнении с расчетным.

Результаты измерений интегральных дозиметрических величин представлены в табл. 2. Можно видеть, что программа ВОЫ94 дает реалистическую оценку неопределенностей, которые варьируются от 5-6% для флюенса нейтронов до 7-8% для амбиентного эквивалента дозы. В табл. 3 приведено сравнение с результатами измерений амбиентного эквивалента дозы нейтронов с помощью тканеэквивалентных пропорциональных счетчиков НАНБ1 и 11ЕМ-500, выполненных автором в июльском 1993 г. и майском 1994 г. сеансах. Принимая во внимание экспериментальные ошибки как в измерениях с пропорциональными счетчиками, которые достигают 10%, так и в измерениях с ИСБ, согласие следует признать хорошим, несмотря на применение принципиально различных методик. Эквиваленты доз нейтронов, рассчитанные методом Монте Карло по программе РШКА92, также близки к экспериментальным данным.

Таблица 2. Интегральные дозиметрические величины опорных полей ЦЕРН, измеренные индиевым СБ и углеродным детектором.

Величина Верхняя бетонная защита Верхняя стальная защита Боковая бетонная защита

Ж (>0,4 эВ) (МэВ) 52,1 ±7,0 6,27 ± 0,83 42,3 ± 5,5

Ф (п/см2/Р1С) 1,50 ±0,09 13,2 ±0,7 2,24 ±0,12

Я*(10)(10'шЗв/Р1С) 3,63 ±0,28 18,6 ±1,5 ' 4,93 ± 0,35

А*(10) (10"103в см2) 2,42 ±0,13 1,41 ±0,13 2,20 ±0,12

Таблица 3. Сравнение расчетных (РИЖА92) и измеренных различными методами значений амбиентного эквивалента дозы нейтронов Я*(10) (10"'° Зв/Р1С).

Метод Верхняя бетонная защита Верхняя стальная защита Боковая бетонная защита

ИСБ 3,63 ± 0,28 18,6 ± 1,5 4,93 ± 0,35

FLUKA92 3,48 17,5 4,98

HANDI (J93) 3,94 16,0 5,33

HANDI (М94) 4,13 16,2

REM-500 (М94) 3,88 18,5

Полученные с помощью ИСБ и тканеэквивалентных пропорциональных счетчиков результаты в рамках программы характеризации опорных полей ЦЕРН явились основой для интерпретации показаний различных дозиметров активного и пассивного типа, исследовавшихся в этих полях.

В третьей главе представлены результаты расчетных исследований энергетических зависимостей чувствительности спектрометров Боннера к высокоэнергетическим нейтронам. Исследовались СБ с детекторами тепловых нейтронов трех типов (индиевый активационный детектор, 3Не и Lil счетчики).

В расчетах [15] использовались три современные программы, реализующие метод Монте Карло: MCNP4A, LAHET и HADRON. Последняя программа разработана автором совместно с E.H. Савицкой. Результаты сравнения функций чувствительности четырех сфер 3Не СБ, рассчитанных по этим программам, показаны на рис.8. Функции чувствительности, рассчитанные по программам MCNP и HADRON, согласуются друг с другом в пределах 15% в диапазоне энергий 10100 МэВ. Результаты расчетов по программе LAHET лежат значительно выше, как правило. С учетом этих результатов дальнейшие расчеты проводились по программе HADRON.

Е (MeV)

Рис. 8. Сравнение функций чувствительности эНе СБ, рассчитанных по программам MCNP, LAHET и HADRON.

Высокочувствительный спектрометр Боннера GSF основан на сферическом пропорциональном 3Не-счетчике SP90 производства Centronic Ltd. (Великобритания). Счетчик диаметром 32 мм наполнен газом 3Не до давления 172 кПа и криптоном до 100 кПа. Стенка счетчика изготовлена из нержавеющей стали толщиной 0,51 мм. Нейтроны регистрируются по реакции Не(п,р) 3Н с Q = 0,765 МэВ. Для измерений в высокоэнергетических полях излучения СБ GSF был дополнен 9" сферой со свинцовой прослойкой между диаметрами 3" и 4". Полная матрица чувствительности спектрометра, рассчитанная по программам

MCNP (ниже 10 МэВ) и HADR.ON, показана на рис. 9.

Сравнение этих данных с функциями чувствительности СБ на основе широко используемого детектора Lil (4x4 мм) показало, что чувствительность 3Не СБ примерно на порядок выше. Рассчитанные спектры событий от высокоэнергетических

нейтронов в этих счетчиках указывают также на проблемы при интерпретации аппаратурного спектра детектора Lil и вычитании фона, нссуществсн-

10 10 ю Е (MeV)

Рис. 9. Матрица чувствительности 3Не спектрометра Боннера GSF.

ные для Не-счетчика.

Программа восстановления нейтронных спектров по показаниям СБ ВСМ95 является модифицированной версией программы ВСЖ94, основанной на методе параметризации. При разработке программы была поставлена задача сделать ее универсальной, исключив выделение отдельных детекторов из общей схемы решения обратной задачи. Кроме того, в низкоэнергетической области добавлен компонент эпитепловых нейтронов для лучшего описания мягких спектров многократно рассеянных нейтронов и внесен ряд других изменений. Программа реализует решение системы уравнений

где М; - показания сфер Боннера; ДМ, - неопределенности, включающие погрешности результатов измерений и функций чувствительности Ф(£}) — искомый спектр нейтронов.

Нейтронные спектры параметризуются линейной суперпозицией максвел-ловского пика тепловых нейтронов, Е~ь — хвоста эпитепловых нейтронов,

НЕ - хвоста промежуточных нейтронов, пика быстрых нейтронов и пика каскадных нейтронов (для высокоэнергетических спектров):

ЕФр (£) = а,(Е) + а2Рф (£) + а3^п1 (£) + а^ (Е) + а5Ек (Е), где

\х}пе-Х',

X}/(1 + Х0/1'3)

Х.и — Е / Т„,

Х/=(Е/Т/Г Х1 =Е!Т/ Хи^Е/П

Пик быстрых нейтронов /у описывается квазимаксвелловским распределением

в случае низкоэнергетических спектров. Для высокоэнергетических спектров используется нижнее выражение, лучше- описывающее ускорительные спектры нейтронов. Экспоненциальные факторы в выражениях для Еер1 и включены

для подавления этих компонентов в областях тепловых и быстрых нейтронов. Температуры теплового и каскадного пиков выбраны равными 0,035 эВ и 55 МэВ, соответственно.

Свободные параметры Ъ, с и 7}-, описывающие наклон эпитеплового хвоста, ширину и температуру пика быстрых нейтронов, меняются на заданной сетке шаг за шагом для поиска оптимального решения, удовлетворяющего условию:

г п\г

м, -м!

1=1

дм;

ехр

: Ш1П, где

М?

7=1

Значения коэффициентов ак для каждой комбинации свободных параметров также находятся методом наименьших квадратов. Уравнение для х2 благодаря линеаризации спектров преобразуется в систему линейных уравнений относительно неизвестных а*:

Ъх

8ак

И1

которая имеет единственное решение, так как компоненты параметризованного спектра линейно независимы.

Оптимальный спектр Фсоответствующий абсолютному минимуму

X2, используется далее в качестве начального спектра в итерационной процедуре с критерием окончания х2< 1- Было найдено, что алгоритм параметризации обеспечивает хорошее решение в большинстве случаев (обычно Хг «1, если экспериментальные ошибки не слишком малы) и итерационная процедура дает видимое улучшение лишь в некоторых случаях сложных спектров. Полученный спектр Фо(£/) используется для расчета полных

неопределенностей ДМ,-:

ДМ, = ^(АМГР)2 +(£м(£;)Фо(£;))2 •

Описанная процедура поиска спектра Фр(Еу) выполняется для N различных комбинаций показаний спектрометра: М( =М, +£-ДМ(, где £ — случайное число с нормальным распределением. В результате мы получаем N различных нейтронных спектров (стандартное значение //=25), по которым определяются средние значения и неопределенности спектра и различных функционалов.

Спектрометр Боннера ОБР использовался в измерениях спектров нейтронов опорных полей ЦЕРН в августовском сеансе 1995 г., а также спектра космических нейтронов на вершине горы Цугшпитце (~3000 м). Все измерения проводились в режиме записи амплитудных спектров для контроля и вычитания в необходимых случаях фона. При измерениях на горе Цугшпитце сферы Боннера размещались в алюминиевом контейнере, в котором поддерживалась постоянная температура 20 ± 3°С. В качестве монитора использовалась 5" сфера. Время измерения каждой сферой выбиралось таким, чтобы статистическая ошибка была менее 2,5%. В результате полное время измерений составило 144 часа.

Амплитудные спектры 3Не-счетчика в измерениях в ЦЕРН не содержат фона в каналах выше 60-го (начало плато) и измерены с большой статистикой (статистические ошибки во всех случаях менее 1%). В случае измерений космического спектра статистика была значительно хуже и в нескольких измерениях обнаружен большой фон в первых 200 каналах. Полное число 3Не(п,р) 3Н реакций было найдено для этих спектров по числу импульсов в каналах выше 250-го (под пиком), умноженному на среднее отношение этого интеграла к полному числу импульсов, рассчитанное по спектрам без фона. Возможной причиной больших фонов является излучение мощной радиостанции, находящейся на горе Цугшпитце. Другой проблемой являлись заметные изменения давления воздуха во время измерений. Поправочный коэффициент кр на изменение давления

рассчитывался по результатам измерении давления в национальной метеорологической лаборатории в Киле, которые хорошо коррелировали с показаниями монитора (сфера 5").

Измеренные нейтронные спектры [17] за верхними бетонной и стальной защитами опорных полей ЦЕРН показаны на рис. 10 и 11. В целом спектры согласуются по форме с результатами расчетов и предыдущих измерений с помощью индиевого СБ, однако наблюдаются небольшие систематические различия. В табл. 4 измеренные дозиметрические величины сравниваются с результатами расчета и других измерений, выполненных 3Не СБ (РТВ, Брауншвейг), индиевым СБ, тканеэквивалентными пропорциональными счетчиками НАаЧБ1 и К_ЕМ-500. Хорошее согласие расчетных и измеренных разными методами эквивалентов дозы нейтронов, полученное ранее для методик ЦЕРН, не подтверждается результатами измерений с помощью СБ РТВ и СБИ, которые согласуются друг с другом в среднем в пределах 7%.

Рис. 10. Спектр нейтронов в опорном поле ЦЕРН за верхней бетонной защитой, измеренный СБ ОЗИ, в сравнении с расчетным.

Рис. 11. Спектр нейтронов в опорном поле ЦЕРН за верхней стальной защитой, измеренный СБ ОБР, в сравнении с расчетным.

Расхождения результатов измерений СЭР и ЦЕРН имеют систематический характер и составляют более 20% по флюенсу и амбиентному эквиваленту дозы нейтронов. Причиной этих различий, как было выяснено позднее, является неучтенный вклад рассеянного излучения в градуировочном поле ЦЕРН на основе радиокуклидного источника 238Ри-Ве. Все экспериментальные методики ЦЕРН градуировались в этом поле, поэтому согласие между ними не удивительно. После введения поправки эти данные были также приведены к согласованию с результатами РТВ и ОБР (после завершения автором работы в ОБР).

Таблица 4. Сравнение измеренных и расчетных интегральных дозиметрических величин в опорных полях ЦЕРН,

Верхняя бетонная защита 3Не CE(GSF) 3Не СБ(РТВ) In СБ(ЦЕРН) FLUKA HANDI REM

Ê (МэВ) Ф (смPIC'1) Я*(1О)(1О-,0Зв PIC'1) 46,5 ±12,6 1,85 ±0,12 4,80 ± 0,43 1,67 4,48 52,1 1,50 3,63 3,48 4,03 3,88

Верхняя стальная защита

Е (МэВ) Ф (см"2 PIC"1) #*(10) (10"'° Зв PIC"1) 5,89 ±2,78 17,5 ±0,4 25,4 ± 1,0 16,7 22,5 6,27 13,2 18,6 17,5 16,1 18,5

Боковая бетонная защита

Е (МэВ) Ф (см"2 PIC"1) /^(10) (10-10ЗвР1С-') 41,3 ±11,6 2,73 ±0,10 6,25 ± 0,58 2,62 6,11 42,3 2,24 4,93 4,98 5,33

Результаты восстановления спектра нейтронов на вершине горы Цугшпитце [16] показаны на рис. 12 и в табл. 5. Расчеты проводились с двумя наборами экспериментальных данных: без поправки и с поправкой на изменение давления воздуха во время измерений. Различия между двумя спектрами и интегральными величинами заметны, но они находятся в пределах неопределенностей. Как и ожидалось, спектр космических нейтронов подобен высокоэнергетическим ускорительным спектрам за бетонными защитами (рис. 10), за исключением

— ю

Рис. 12. Космический спектр нейтронов на вершине горы Цугшпитце, измеренный СБ СЭР.

ю ю ю

области тепловых нейтронов. Он также качественно согласуется с результатом расчета, выполненного для условий эксперимента по программе РЫЖА.

Таблица 5. Интегральные дозиметрические величины космического спектра нейтронов, измеренного на вершине горы Цугшпитце.

_ Я*(10)(10-" Зв с"1)

Е (МэВ) Ф (см'2 с'1)

Без поправки на давление 39,7 ± 8,4 0,128 ±0,012 3,18 ±0,45

С поправкой 37,8 ±13,8 0,126 ±0,013 2,99 ± 0,43

В заключении сформулированы следующие выводы:

• Пассивный дозиметр-спектрометр нейтронов является надежным и удобным средством измерения спектральных и дозовых характеристик полей нейтронного излучения за защитами ускорителей. Его особенности дают возможность измерения индивидуального эквивалента дозы нейтронов непосредственно на фантоме, вблизи индивидуальных дозиметров, то есть корректно учитывать как экранирующие свойства фантома, так и вклад рассеянного излучения от фантома, независимо от углового распределения внешнего излучения.

• Программы переноса низкоэнергетических нейтронов РАМЕ1ЛГ и высокоэнергетических адронов НАХЖОЫ, успешно применявшиеся ранее в расчетах функций чувствительности различных детекторов, дозовых характеристик адронов и т.д., показали высокую достоверность результатов и в задачах установления энергетических зависимостей чувствительности спектрометров Боннера в широком диапазоне энергий нейтронов.

• Разработанные программы восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров превосходят существующие аналоги по основным характеристикам. Наиболее важным их преимуществом является использование физически обоснованной информации о характерных особенностях нейтронных спектров и введение ее в алгоритм решения оптимальным путем. Отметим также объективность результатов, их воспроизводимость и корректный анализ неопределенностей.

• Результаты измерений с помощью различных методик позволили установить спектральные и дозовые характеристики нейтронного излучения в высокоэнергетических опорных полях ЦЕРН, необходимые для решения задач радиационной безопасности воздушных полетов. В рамках данной проблемы выполнены также измерения космического спектра нейтронов, результаты которых подтверждают вывод о подобии нейтронных спектров в атмосфере и за бетонными защитами опорных полей ЦЕРН. Они важны также для тестирования моделей расчета транспорта высокоэнергетических адронов в атмосфере.

Список литературы

1. V.E.Borodin, V.T.Golovachik, E.P.Korshunova, V.N.Lebedev, A.V.Sannikov arid E.G.Spirov. Response of albedo and fission track detectors to neutrons in the energy range from thermal to 20 MeV. Kernenergie 31, 267 (1988).

2. A.M.Biskupchuk, V.E.Borodin, V.T.Golovachik, E.P.Korshunova, V.N.Lebedev and A.V.Sannikov. Interpretation of the readings of combined albedo-track personnel neutron dosemeters in the terms of dose equivalent. Kernenergie 30, 419 (1987).

3. В.Е.Бородин, И.Б.Воробьев, Е.П.Коршунова, А.С.Кривохатский, В.Н.Лебедев, В.А.Николаев, Т.С.Потапова, А.В.Санников. Исследование чувствительности комбинированных альбедо-трековых индивидуальных дозиметров нейтронов за защитой протонного синхротрона ИФВЭ. Препринт ИФВЭ 89-60, Серпухов, 1989.

4. A.V.Sannikov, I.B.Vorob'ev, E.P.Korshunova, V.A.Nikolaev. Response of combined albedo-track neutron personnel dosemeters behind IHEP proton synchrotron shielding. IHEP Preprint 89-211, Serpukhov, 1989.

5. В.Е.Бородин, И.Б.Воробьев, Е.П.Коршунова, А.С.Кривохатский, В.Н.Лебедев, В.А.Николаев, Т.С.Потапова, А.В.Санников. Дозиметрические характеристики нейтронных трековых детекторов применительно к высокоэнергетическим ускорителям. АЭ 69, 167 (1990).

6. В.Е.Бородин, И.Б.Воробьев, Е.П.Коршунова, В.Н.Лебедев, В.А.Николаев,

A.В.Санников. Чувствительность комбинированных альбедо-трековых индивидуальных дозиметров нейтронов за защитой протонного синхротрона ИФВЭ. АЭ 69, 171 (1990).

7. А.В.Санников. Пассивный дозиметр-спектрометр нейтронов для высокоэнергетических ускорителей. Препринт ИФВЭ 90-133, Протвино, 1990.

8. A.V.Sannikov. Calibration method for personnel neutron dosemeters in stray radiation fields. Radiat. Prot. Dosim. 44, 277 (1992).

9. А.И.Абросимов, В.Е.Алейников, А.Г.Алексеев, А.В.Антипов,

B.П.Бамблевский, В.А.Белогорлов, Г.И.Бритвич, М.Зельчинский, А.Г.Крылов, С.И.Купцов, В.Д.Майоров, Ю.В.Мокров, А.В.Санников, Б.Снопех, Г.Н.Тимошенко, С.А.Харлампиев, А.А.Чумаков. Измерение характеристик опорных полей нейтронов ОИЯИ. Препринт ОИЯИ Р16-93-37. Дубна, 1993.

10. A.Aroua, M.Hofert, A.V.Sannikov and G.R.Stevenson. Reference fields for inflight dosimerty. CERN/TIS-RP/TM/93-46. Geneva, 1993.

11. J.Liu and A.V.Sannikov. Calibration of the indium and Lil multisphere spectrometers and the Rem counters in the new RP calibration facility. CERN/TIS-RP/TM/93-50. Geneva, 1993.

12. A.V.Sannikov, Calculated response functions of indium loaded Bonner spectrometer. CERN/TIS-RP/IR/94-05. Geneva, 1994.

13. A.V.Sannikov. BON94 code for neutron spectra unfolding from Bonner spectrometer data. CERN/TIS-RP/IRy94-16. Geneva, 1994.

14. J.Liu, A.V.Sannikov and G.R.Stevenson. Neutron energy spectra of the CERN-CEC reference field facility measured by the indium Bonner spectrometer and carbon activation detector. CERN/TIS-RP/IRy94-17. Geneva, 1994.

15. A.V.Sannikov, V.Mares and H.Schraube. High energy response functions of Bonner spectrometers. Radiat. Prot. Dosim. 70, 291 (1997).

16. H.Schraube, J.Jakes, A.V.Sannikov, E.Weitzenegger, S.Roesler and W.Heinrich. The cosmic ray induced neutron spectrum at the summit of the Zugspitze (2963 m). Radiat. Prot. Dosim. 70,405 (1997).

17. V.Mares, A.V.Sannikov and H.Schraube. The response functions of a He-3 Bonner spectrometer and their experimental verification in high energy neutron fields. Proc. Third specialist meeting on shielding aspects of accelerators, targets and irradiation facilities. Sendai, Japan, OECD Nuclear Energy Agency, 1997.

18. I.L.Azhgirey, I.A.Kurochkin, A.V.Sannikov, E.N.Savitskaya. Calculation of high-energy hadron spectra at the CERN-CEC reference field facility by the MARS'95 and HADRON codes. Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. A408, 535 (199S).

Рукопись поступила 17 октября 2006 г.

A.B. Санников

Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы Word. Редактор Л.Ф. Васильева.

Подписано к печати 18.10.2006. Формат 60x84/16. Офсетная печать. Печ. л. 1.48. Уч.-изд.л. 1.68. Тираж 100. Заказ 95. Индекс 3649. ЛР №020498 06.04.97.

ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий 142281, Протвино Московской обл.

АВТОРЕФЕРАТ 2006-21, И Ф В Э, 2006

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Санников, Александр Венедиктович

Введение

1. Разработка пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов 6 и калибровка индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения за защитой протонного синхротрона ИФВЭ

1.1. Экспериментальная методика

1.2. Метод восстановления нейтронных спектров

1.3. Тестовые расчеты и эксперименты

1.4. Измерение спектров нейтронов за защитами протонных 16 ускорителей

1.5. Калибровка индивидуальных дозиметров нейтронов в полях 22 рассеянного излучения за защитой ускорителя

2. Применение спектрометра Боннера на основе индиевого 29 активационного детектора для исследования спектральных и дозовых характеристик высокоэнергетических опорных полей ЦЕРН

2.1. Методика расчета функций чувствительности 3 О

2.2. Результаты расчета и методы интерполяции

2.3. Программа восстановления нейтронных спектров В(Ж

2.4. Измерение высокоэнергетических спектров нейтронов 45 опорных полей ЦЕРН

3. Функции чувствительности спектрометров Боннера в области 54 высоких энергий и измерения в высокоэнергетических полях излучения спектрометром на основе 3Не-счетчика

3.1. Расчеты функций чувствительности

3.2. Универсальная программа восстановления нейтронных 62 спектров ВСДО

3.3. Результаты измерения высокоэнергетических спектров 65 нейтронов спектрометром Боннера вБР

Введение диссертация по физике, на тему "Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях"

Различные методы спектрометрии нейтронного излучения широко используются на ядерно-физических установках для целей дозиметрии и защиты персонала. Необходимость их применения обусловлена широким диапазоном энергий нейтронов за биологическими защитами - от 10"8 до 10 МэВ на реакторах и до сотен МэВ на ускорителях - и невозможностью измерения доз нейтронов с требуемой точностью во всем этом диапазоне с помощью простых дозиметрических систем.

Наиболее сложной проблемой является индивидуальная дозиметрия нейтронов, особенно после введения эффективной дозы в качестве нормируемой величины и новых операционных величин для ее оценки - амбиентного эквивалента дозы Я* (10) для оперативного контроля и индивидуального эквивалента дозы Нр(\0) для индивидуального контроля. В отличие от ранее измерявшейся максимальной эквивалентной дозы, последняя величина зависит не только от энергетического, но и от углового распределения внешнего излучения.

Задачи контроля характеристик индивидуального дозиметра нейтронов ИФВЭ на основе ядерной фотоэмульсии МК-20, а также исследования чувствительности перспективных индивидуальных дозиметров за защитой протонного синхротрона ИФВЭ на 70 ГэВ стимулировали разработку пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов (ПДСН) и основанной на его использовании методики калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения в терминах Нр(\0).

Другой областью исследований, результаты которых приведены в диссертации, является применение спектрометров Боннера для измерения высокоэнергетических нейтронных спектров в опорных полях ЦЕРН и на вершине горы Цугшпитце (~3000 м). Эти работы выполнены автором во время зарубежных командировок в ЦЕРН (Женева) в 1993-94 гг. и йБР (Мюнхен) в 1995-96 гг. в рамках научной программы «Радиационная безопасность воздушных полетов», финансировавшейся Европейским союзом. Актуальность этой проблемы также была обусловлена концептуальными изменениями в системе дозиметрических величин и дозовых пределов, в результате которых экипажи высотных лайнеров и часто летающие пассажиры попали в категорию профессионально облучаемого персонала.

Цель работы состояла в разработке средств измерения спектральных и дозовых характеристик нейтронов в высокоэнергетических полях излучения, установлении энергетических зависимостей чувствительности используемых детекторов, разработке современных программ восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров, а также в применении разработанных средств и методов для исследования характеристик полей нейтронов на больших протонных ускорителях и для калибровки в этих полях индивидуальных дозиметров нейтронов.

Научная новизна и практическая значимость.

Разработан и внедрен в практику дозиметрических измерений на протонном синхротроне ИФВЭ пассивный дозиметр-спектрометр нейтронов. Исследованы спектры нейтронного излучения и закономерности формирования дозы нейтронов в экспериментальном зале ускорителя. Показано, что основным источником нейтронов, в значительной степени определяющим радиационную обстановку во всем экспериментальном зале, является небольшой участок верхней защиты вблизи внутренних мишеней кольцевого зала ускорителя.

Разработанная на основе применения ПДСН методика калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов на фантомах в полях излучения с произвольным угловым распределением позволила впервые в мировой практике получить большое количество экспериментальных данных по чувствительности различных типов альбедных, трековых и комбинированных дозиметров в реальных условиях облучения персонала за защитой ускорителя. Результаты измерений подтверждают в целом теоретические предсказания, основанные на рассчитанных ранее автором функциях чувствительности детекторов.

Рассчитаны функции чувствительности спектрометров Боннера с детекторами тепловых нейтронов трех типов (индиевый активационный детектор, 1л1 и 3Не-счетчики) к нейтронам с энергиями от 20 МэВ до 1,5 ГэВ, дающие возможность расширить область применения этих спектрометров на высокоэнергетические спектры за защитой ускорителей и в атмосфере. Выполнен анализ дополнительных механизмов регистрации высокоэнергетических нейтронов при использовании детекторов активного типа и оценен их вклад в чувствительность. Показано, что для детектора Ш этот вклад значителен, что требует более тщательного анализа аппаратурных спектров при вычитании фона.

Разработаны программы восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров, в том числе универсальная программа В(Ж95, превосходящая по основным характеристикам имеющиеся аналоги. Их отличительными особенностями являются оптимальный способ учета закономерностей формирования нейтронных спектров, объективность получаемого решения (независимость от пользователя) и корректный анализ неопределенностей.

С помощью различных методик установлены спектральные и дозиметрические характеристики нейтронного излучения в высокоэнергетических опорных полях ЦЕРН, предназначенных для калибровки перспективных для применения на борту авиалайнеров дозиметров. Выявлено, что имеющиеся расхождения носят систематический характер, вероятной причиной которого являются различия в методиках градуировки. Форма нейтронных спектров, измеренных спектрометрами ЦЕРН и ОБР с использованием рассчитанных автором функций чувствительности, хорошо согласуется друг с другом, а также с результатами расчета по программе ШЖА92.

Измерен спектр нейтронного излучения на вершине горы Цугшпитце (~3000 м) с помощью высокочувствительного спектрометра Боннера GSF. Полученные данные могут рассматриваться в качестве результатов базового эксперимента и уже использовались для тестирования моделей расчета формирования нейтронных спектров в атмосфере под действием космических излучений.

Автор выносит на защиту:

1. Разработку пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов для высокоэнергетических ускорителей и основанной на его применении методики калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения с произвольным угловым распределением.

2. Результаты многолетних исследований чувствительности индивидуальных дозиметров нейтронов за защитой протонного синхротрона ИФВЭ на 70 ГэВ, явившиеся основой физического обоснования ряда новых перспективных индивидуальных дозиметров нейтронов.

3. Результаты расчетов энергетических зависимостей чувствительности спектрометров Боннера на основе индиевого активационного детектора, Lil и 3Не-счетчиков, в том числе в области высоких энергий нейтронов до 1,5 ГэВ.

4. Разработку новых программ восстановления спектров нейтронов по показаниям различных спектрометров, основанных на перспективном методе параметризации.

5. Результаты измерений нейтронных спектров и дозиметрических характеристик полей излучения за защитами ускорителей ИФВЭ и ЦЕРН, а также на вершине горы Цугшпитце (ФРГ), с помощью ПДСН и спектрометров Боннера.

Апробация работы. Диссертация написана на основе 18 работ, выполненных автором в период 1987-1997 гг. Результаты опубликованы в препринтах ИФВЭ, ОИЯИ и ЦЕРН, журналах Атомная энергия, Kernenergie, Radiat. Prot. Dosim. и Nucí. Instrum. Methods. Они также докладывались на научных семинарах Отдела радиационных исследований ИФВЭ; на семинарах подсекции «Радиационная защита и работа в условиях высоких уровней ионизирующего излучения» при Совете по проблемам ускорения заряженных частиц АН СССР; на Международных симпозиумах по физике радиационной защиты в 1987 г. (Вайнбёла, ГДР) и 1992 г. (Гауссиг, ФРГ); на Международных симпозиумах по нейтронной дозиметрии в 1992 г. (Берлин, ФРГ) и 1995 г. (Париж, Франция); на 3-м Совещании специалистов по проблемам защиты ускорителей, мишеней и облучательных установок в 1997 г. (Сендаи, Япония).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения; содержит 75 страниц текста, в том числе 45 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Заключение диссертации по теме "Физика высоких энергий"

Результаты работы позволяют сформулировать следующие выводы.

• Программы переноса низкоэнергетических нейтронов (РАЫЕиТ) и высокоэнергетических адронов (НА0110Ы), успешно применявшиеся ранее в расчетах функций чувствительности различных детекторов, дозовых характеристик адронов и т.д., показали высокую достоверность результатов и в задачах установления энергетических зависимостей чувствительности спектрометров Боннера в широком диапазоне энергий нейтронов.

Благодарности

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своим коллегам по группе индивидуального радиационного контроля, внесшим неоценимый вклад в проведение экспериментальных исследований ПДСН и индивидуальных дозиметров нейтронов: А.М.Бискупчук, В.И.Белевцовой, В.А.Волковой, Е.П.Коршуновой, Т.Н.Макаровой, Н.Н.Незамаевой, И.А.Полыниной, С.В.Савенко, Е.Г.Спирову, В.В.Фуге, Л.В.Хмарук, Г.Н.Цветковой, а также Е.Н.Савицкой за большой вклад в разработку программы НАБКОИ.

Я глубоко признателен научному руководителю Владимиру Николаевичу Лебедеву за постановку задач, поддержку и постоянное внимание к работе.

Я благодарен всему коллективу Отдела радиационных исследований и особенно ведущим специалистам, чьи идеи, творческий поиск были постоянным стимулом в работе и чья помощь была важна в решении многих проблем: И.Л.Ажгирею, И.С.Байшеву, Г.И.Бритвичу, В.Т.Головачику, Г.И.Крупному, В.Н.Кустареву, В.Н.Пелешко, Я.Н.Расцветалову, А.В.Узуняну и многим другим.

Заключение.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Санников, Александр Венедиктович, Протвино

1. E.Piesch. Radiat. Prot. Dosim. 10,159 (1985).

2. A.M.Biskupchuk et al. Kernenergie 30,419 (1987).

3. В.Е.Бородин и др. Препринт ИФВЭ 89-60, Серпухов, 1989.

4. A.V.Sannikov et al. IHEP Preprint 89-211, Serpukhov, 1989.

5. В.Е.Бородин и др. АЭ 69,167 (1990).

6. В.Е.Бородин и др. АЭ 69,171 (1990).

7. Т.В.Королева и др. АЭ 35, 344 (1973).

8. И.Б.Воробьев и др. АЭ 61, 35 (1986).

9. Г.А.Борисов и др. Метрология нейтронных измерений на ядерно-физических установках. М., 1976.

10. Neutron dosimetry for biology and medicine. ICRU Report 26. Washington, 1977.

11. VITAMIN-C. RSIC-DLC-41. Oak Ridge, 1977.

12. В.М.Горбачев и др. Взаимодействие излучения с тяжелыми ядрами и деление ядер. М., Атомиздат, 1976.

13. В.С.Барашенков, В.Д.Тонеев. Взаимодействие высокоэнергетических частиц и атомных ядер с ядрами. М., Атомиздат, 1972.

14. Determination of dose equivalents from external radiation sources Part 2. ICRU Report 43. Bethesda, 1988.

15. A.G.Alekseev et al. Radiat. Prot. Dosim. 14,289 (1986).

16. E.A.Belogorlov et al. Nucl. Instrum. Methods. 199, 563 (1982).

17. В.Е.Бородин и др. Препринт ИФВЭ 74-131, Серпухов, 1974.

18. J.T.Routti and J.V.Sandberg. Radiat. Prot. Dosim. 10,103 (1985).

19. Г.П.Зенин и др. Препринт ИФВЭ 87-177, Серпухов, 1987.

20. W.N.McElroy et al. Report AFWL-TR-67-41. New Mexico, 1967.

21. Г.И.Бритвич и др. Препринт ИФВЭ 90-48, Протвино, 1990.

22. H.Ing and S.Makra. Compendium of neutron spectra in criticality accident dosimetry. STI/DOC/10/180. IAEA, Vienna, 1978.

23. Е.А.Белогорлов и др. Препринт ИФВЭ 85-148, Серпухов, 1985.

24. H.W.Patterson et al. Health Physics 20,517 (1971).

25. В.Е.Алейников и др. Препринт ОИЯИ Р16-9870. Дубна, 1976.

26. А.Н.Калиновский и др. Прохождение высокоэнергетических частиц через вещество. М., Энергоатомиздат, 1985.

27. Е.К.Гельфанд и др. Препринт ОИЯИ Р16-12551. Дубна, 1979.

28. А.И.Абросимов и др. Препринт ОИЯИ Р16-93-37. Дубна, 1993.

29. А.В.Санников. Препринт ИФВЭ 90-133, Протвино, 1990.

30. A.V.Sannikov. Radiat. Prot. Dosim. 44, 277 (1992).

31. В.Н.Лебедев, А.В.Санников. Препринт ИФВЭ 86-1, Серпухов, 1986.

32. А.И.Непомнящих и др. АЭ 58, 257 (1985).

33. А.В.Санников и др. Препринт ИФВЭ 2005-6, Протвино, 2005.

34. A.Aroua et al. CERN/TIS-RP/TM/93-46. Geneva, 1993.

35. M.Hofert and G.R.Stevenson. CERN/TIS-RP/94-02/CF. Geneva, 1994.37.1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 60. Oxford, 1991.

36. A.W.Kunz et al. Nucl. Instrum. Methods A299,696 (1990).

37. Health Physics Instruments Model REM-500 Neutron Survey Meter. Operations and repair manual. 1993.

38. A.Carlsson et al. CERN/TIS-RP/TM/93-32. Geneva, 1993.

39. J.Liu and A.V.Sannikov. CERN/TIS-RP/TM/93-50. Geneva, 1993.

40. В.Т.Головачик и др. Дозовые характеристики нейтронов с энергией от тепловой до 20 МэВ и протонов с энергией от 2 до 600 МэВ. Труды 10-го Совещания по ускорителям заряженных частиц, с. 411. Дубна, 1987.

41. Ю.А.Медведев и др. Ядерно-физические данные по взаимодействию нейтронов с элементами воздуха и земной коры. М., Энергоиздат, 1981.

42. В.Ф.Турчин. Медленные нейтроны. М., Госатомиздат, 1963.

43. В.Т.Головачик и др. Препринт ИФВЭ 89-61, Серпухов, 1989.

44. S.F.Mughabghab et al. Neutron cross sections. Volume 1: Neutron resonance parameters and thermal cross sections. New York, Academic Press, 1981.

45. V.McLane et al. Neutron cross sections. Volume 2: Neutron cross section curves. New York, Academic Press, 1988.

46. D.Garber (ed.). ENDF/B-V. Report BNL-17541 (ENDF-201). NNDC, BNL, 1975.

47. V.Mares et al. Nucl. Instrum. Methods A307, 398 (1991).

48. H.L.Zaborowski. Le systeme multisphere de dosimetric et spectrometrie neutron. Etudes d'applications a la radioprotection. Symposium International sur l'utilization du californium-252. Paris, 1976.

49. A.V.Sannikov. CERN/TIS-RP/IR/94-16. Geneva, 1994.

50. Current status of neutron spectrum unfolding. IAEA-TECDOC-221. IAEA, Vienna, 1979.

51. A.V.Alevra et al. Unfolding Bonner-sphere data: a European intercomparison of computer codes. PTB-7.22-90-1, Braunschweig, 1990.

52. Z.Prouza et al. Radiat. Prot. Dosim. 37, 241 (1991).

53. F.G.Perey. Report ORNL/TM-6062, Oak-Ridge, 1977.

54. J.T.Routti and J.V.Sandberg. Comput. Phys. Commun. 21, 119 (1980).

55. Ю.П.Пытьев. Математическая коллекция 120, 240 (1983).

56. A.Aroua et al. Nucl. Instrum. Methods A321, 298 (1992).

57. S.Roesler and G.R.Stevenson. CERN/TIS-RP/IR/93-47. Geneva, 1993.

58. H.Dinter and K.Tesch. Radiat. Prot. Dosim. 42, 5 (1992).

59. R.S.Sanna. USAEC, HASL-267,1973.

60. В.П.Крючков, Г.И.Семенова. Препринт ИФВЭ 87-191, Серпухов, 1987.

61. V.Mares and H.Schraube. Nucl. Instrum. Methods A337,461 (1994).

62. R.G.Alsmiller and J.Barish. ORNL/TM-9801, Oak Ridge, 1986.

63. J.Liu et al. CERN/TIS-RP/IR/94-17. Geneva, 1994.

64. A.Aroua et al. CERN/TIS-RP/IR/93-45. Geneva, 1993.

65. M.Hofert et al. CERN/TIS-RP/IR/94-13. Geneva, 1994.

66. A.Aroua et al. CERN/TIS-RP/IR/94-12. Geneva, 1994.69 .Radiation exposure of civil aircrew. Proc. Workshop, Luxembourg, 1991. Radiat. Prot. Dosim. 48 (1993).

67. J.F.Briesmeister (Ed.). LA-12625-M, Los Alamos, 1993.

68. R.E.Prael and H.Lichtenstein. LA-UR-89-3014, Los Alamos, 1989.

69. E.N.Savitskaya and A.V.Sannikov. Radiat. Prot. Dosim. 60,135 (1995).

70. A.V.Sannikov and E.N.Savitskaya. Radiat. Prot. Dosim. 70, 383 (1997).

71. P.G.Young et al. LA-11753-MS, Los Alamos, 1990.

72. J.S.Hendricks et al. LA-12891, Los Alamos, 1994.

73. M.M.Meier et al. LA-11518-MS, Los Alamos, 1989.

74. M.M.Meier et al. LA-11656-MS, Los Alamos, 1989.

75. V.Mares and H.Schraube. Nucl. Instrum. Methods A366,203 (1995).

76. H.H.Hsu et al. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-41, 938 (1994).

77. A.V.Alevra et al. The PTB Bonner sphere contribution to the My 1993 CERN-CEC Experiment (H6J93). PTB draft report, Braunschweig, 1994.

78. H.Schraube et al. Radiat. Prot. Dosim. 70,405 (1997).