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

• Автор: Жуков, Александр Павлович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

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-100

§ 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 78 § 3.2. Система мониторинга потерь пучка линейного ускорителя
Заключение
Литература

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"-nponecc) 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 ИЛИ РАН и моделирование вторичных нейтронов для восстановления первичного излучения.
Использовались отечественный транспортный код SHIELD [1], разработанный в ИЛИ 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 ДБЫеИ, 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 ЗШЕЬО+МСЫР.
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.

n/(Nsour MeV mks)
Neutron Energy, MeV
5.0x10" 1.0X101
Neutron Energy, MeV
Neutron Energy, MeV
Рис. 2.19 Спектры нейтронов в разных каналах в момент времени 25.0 мкс