Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях

• Автор: Санников, Александр Венедиктович
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 75 с. : ил.

1. Разработка пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов 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 ускорителей
1.5. Калибровка индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения за защитой ускорителя
2. Применение спектрометра Боннера на основе индиевого активационного детектора для исследования спектральных и дозовых характеристик высокоэнергетических опорных полей ЦЕРН
2.1. Методика расчета функций чувствительности
2.2. Результаты расчета и методы интерполяции
2.3. Программа восстановления нейтронных спектров ВСЖ95
2.4. Измерение высокоэнергетических спектров нейтронов опорных полей ЦЕРН
3. Функции чувствительности спектрометров Боннера в области высоких энергий и измерения в высокоэнергетических полях излучения спектрометром на основе 3Не-счетчика
3.1. Расчеты функций чувствительности
3.2. Универсальная программа восстановления нейтронных спектров ВСЖ95
3.3. Результаты измерения высокоэнергетических спектров
нейтронов спектрометром Боннера вБЕ
Заключение
Литература

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 ЯД 10) 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 ЯД 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 ОБЕ (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.
Впервые рассчитаны энергетические зависимости чувствительности спектрометра Боннера с индиевьм 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, 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 1л1 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 ВОЫ95, 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 вБЕ с использованием рассчитанных автором функций чувствительности, хорошо согласуется друг с другом, а также с результатами расчета по программе ЕШКА92.

ЕЫ1КА92 спектров нейтронов, протонов и пионов [59]. Их величина составляет от 8 до 10% в различных точках измерения.
Результаты измерений в трех точках опорных полей ЦЕРН представлены в табл. 2.3 и на рис. 2.11. Можно видеть, что экспериментальные погрешности в большинстве случаев очень малы. Определяющую роль в неопределенностях восстановленных спектров играют погрешности функций чувствительности ИСБ и сечений активации углерода.
Sphere diameter (inch)
Рис. 2.11. Показания детекторов ИСБ в опорных полях ЦЕРН, нормированные на отклик 5" сферы. Светлые кружки - верхняя бетонная защита; темные кружки - верхняя стальная защита; квадраты - боковая бетонная защита.
На диаметре 1" приведены данные для голой фольги, на 0" - кадмиро-ванной, на 20" - данные для пластика (отн. единицы).
Восстановленные спектры нейтронов показаны на рис. 2.12-2.14 в сравнении с результатами расчетов по программе FLUKA92. В целом наблюдается неплохое согласие во всех трех 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 BON94 дает гладкие решения в широком диапазоне энергий, за исключением области 1-10 эВ, где проявляются нерегулярности в функциях чувствительности голого и кадмированного индиевого детектора.