ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 5-7
УДК 538.9
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙТРОННЫХ СПЕКТРОВ ПРОПУСКАНИЯ МАТЕРИАЛАМИ, ПЕРСПЕКТИВНЫМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
© 2015 г. А. В. Руткаускас*, Д. П. Козленко, С. Е. Кичанов, Г. Д. Бокучава,
Е. В. Лукин, Б. Н. Савенко
Объединенный институт ядерных исследований, 141980Дубна, Московская область, Россия
*Е-таП: ranton@nf.jinr.ru Поступила в редакцию 30.09.2014 г.
В работе исследовалось пропускание нейтронов для различных материалов, перспективных для создания нейтронных фильтров: на основе монокристаллического и поликристаллического висмута, монокристаллов сапфира. Результаты экспериментов показывают, что при длине волны нейтронов X > 2.5 А коэффициент пропускания достигает ~88% для монокристалла висмута и ~78% для монокристалла сапфира, в то время как максимальное пропускание для поликристаллического висмута не превышает ~18%. Обсуждается возможность создания фильтров рентгеновского излучения для нейтронных пучков на основе монокристаллов висмута и сапфира.
Ключевые слова: фильтры рентгеновского излучения, спектры пропускания нейтронов, монокристаллический висмут и сапфир.
Б01: 10.7868/80207352815040174
ВВЕДЕНИЕ
Широкое распространение импульсных источников нейтронов стимулирует научный интерес к развитию различных экспериментальных методов на этих источниках: времяпролетной ди-фрактометрии и спектрометрии [1, 2], фурье-ди-фрактометрии высокого разрешения [3], малоуглового рассеяния нейтронов в широком диапазоне переданных импульсов q [4, 5]. После модернизации и запуска в 2011 году высокопоточного импульсного реактора ИБР-2 — самого мощного исследовательского реактора в России — активно развивается экспериментально-методическая база его комплекса спектрометров, и одной из научно-технических задач является выбор материала для производства фильтров нейтронного излучения. Перспективным направлением представляется создание экспериментальных установок для энергодисперсионной нейтронной радиографии и томографии с возможностью выбора необходимого диапазона длин волн для конкретных экспериментов [6]. Одной из важнейших методических проблем в этой области является фильтрация жесткого рентгеновского излучения и быстрых нейтронов для улучшения фоновых условий на образце и препятствования радиационного повреждения электронных компонентов детекторной системы. Для этого при формировании полихро-
матических нейтронных пучков широко используются поликристаллические и монокристаллические фильтры нейтронного излучения [7, 8]. В этом случае главное назначение фильтров состоит в максимальном пропускании тепловых нейтронов при одновременном ослаблении спектра быстрых нейтронов и гамма-излучения, которые присутствуют в первичном пучке. Для создания подобных фильтров обычно используют монокристаллический или поликристаллический висмут В1 и монокристаллический сапфир А1203 [9]. В нашей работе приводятся экспериментальные результаты по изучению спектров пропускания нейтронов для этих материалов.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе исследовались спектры пропускания нейтронов для монокристаллических фильтров на основе висмута и сапфира А1203. Толщина всех изученных образцов фильтров составляла 100 мм. Полученные нейтронные спектры нормировались на исходный спектр ванадия. Эксперименты проводились на дифрактометре ДН-6 [10] на импульсном высокопоточном реакторе ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ (Дубна). Нейтронный спектр по времени пролета от образца ванадия объемом 150 мм3 измерялся детектором при угле рассеяния
6
РУТКАУСКАС и др.
Пропускание, %
X, А
Рис. 1. Спектры пропускания нейтронов для монокристаллического висмута при различных толщинах образца: 20 мм (1), 50 мм (2), 100 мм (3).
29 = 90° с экспозицией 30 мин. Затем перед ванадиевым образцом поочередно помещались изучаемые материалы для нейтронных фильтров, и в той же геометрии эксперимента измерялся спектр с экспозицией 30 мин.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены коэффициенты пропускания нейтронов для монокристаллического висмута при различных толщинах фильтра. Кристаллографическая ось [111] монокристалла висмута была параллельна направлению падающего пучка нейтронов. При толщине образца d = 20 мм наблюдается довольно гладкий спектр поглоще-
Пропускание, % 20 г
0 и_I_I_I_I_I_1_
2 3 4 5 6 7 8
X, А
Рис. 2. Спектры пропускания нейтронов для поликристаллического висмута.
ния нейтронов, причем пропускание нейтронов в диапазоне длин волн от 4 до 8 А составляет порядка 96—98%, а при X ~ 2 А падает до 70%. При увеличении толщины монокристалла до 100 мм происходит незначительное уменьшение количества прошедших нейтронов до ~89% в диапазоне длин волн 4—8 А и до ~55% при длине волны X ~ 2 А. Кроме этого наблюдается появление провалов на кривой пропускания, связанных с дифракционным рассеянием нейтронов в кристалле висмута, что указывает на его мозаичность [8].
На рис. 2 представлен спектр пропускания нейтронов для поликристаллического висмута. В диапазоне длин волн от 1.5 до 4 А пропускание составляет 3—5%, в диапазоне 4—7 А имеет место незначительный рост до 7% (при X = 6.8 А). При X ~ ~ 7 А наблюдается пороговый рост пропускания до ~13—17% (рис. 3). Это свидетельствует о невозможности использования поликристаллического висмута в качестве материала для фильтра из-за критически низкого пропускания нейтронов во всем спектральном диапазоне.
На рис. 3 представлен спектр пропускания нейтронов для сапфирового монокристалла, кристаллографическая ось [111] которого была параллельна направлению падающего нейтронного пучка. При малых длинах волн наблюдается рост количества прошедших нейтронов с 62% до 79% в диапазоне длин волн 1.5—2.2 А. При больших длинах волн наблюдается монотонный спад кривой пропускания до 59% при X = 8 А.
Таким образом, результаты наших экспериментов свидетельствует о принципиальной возможности изготовления фильтров жесткого рентгеновского излучения из монокристаллов висмута и сапфира. Эти материалы показали достаточно высокие коэффициенты пропускания для холод-
Пропускание, %
40-1-1-1-1-1-1-11 2 3 4 5 6 7 8
X, А
Рис. 3. Спектры пропускания нейтронов для монокристалла сапфира.
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙТРОННЫХ СПЕКТРОВ ПРОПУСКАНИЯ
7
ных нейтронов с длинами волн X > 4 А. Однако, при прочих равных условиях, монокристаллический висмут более предпочтителен для изготовления фильтра благодаря значительно большему коэффициенту поглощения (практически в ~10 раз) рентгеновского излучения по сравнению с монокристаллом сапфира [11]. Следует заметить, что в последнее время при создании установок для нейтронной радиографии и томографии также предлагается использовать комбинированные висмут-сапфировые фильтры [12].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На импульсном источнике нейтронов проведены исследования спектров пропускания материалов, перспективных для создания различных нейтронных фильтров. Монокристаллический висмут и сапфир показали очень хорошее пропускание нейтронов с длиной волны больше 4 А, что может быть использовано при создании установок для экспериментов по нейтронной радиографии и томографии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балагуров А.М. // ЭЧАЯ. 1992. Т. 23. № 4. С. 1089.
2. Белушкин А.В., Козленко Д.П., Рогачев А.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2011. № 9. С. 18.
3. Бокучава Т.Д., Балагуров A.M., Сумин В.В., Папуш-кин И.В. // Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2010. № 11. С. 9.
4. Kuklin A.I., Islamov A.Kh., Gordeliy V.I. // Neutron News. 2005. № 16. P. 16.
5. Куклин А.И., Исламов A.X., Ковалев Ю.С., Утро-бин П.К., Горделий В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2010. № 6. С. 74.
6. Kockelman W., Zhang S.Y., Kelleher J.F. et al. // Physics Procedia. 2013. V. 43. P. 100.
7. Barton J.B. // Nondestr. Test. Eva. 2001. V. 16. P. 85.
8. Adib M., Kilany M., Habib N., Fathall M. // Czech. J. Phys. 2005. V. 55. № 5. P. 263.
9. Stamatelatos I.E., Messoloras S. // Rev. of Sc. Instrum. 2000. V. 71. № 1. P. 70.
10. Савенко Б.Н., Козленко Д.П., Белушкин А.В., Лукин Е.В., Кичанов С.Е., Кузьмин Е.С., Булкин А.П., Сиротин А.П. // Тез. XX конф. по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния. Санкт-Петербург, 2008. С. 76.
11. Habib N. // Thesis book of 6th Conf. Nucl. Particle Physics, Luxor, Egypt. 2007. P. 257.
12. Mishra K.K., Hawaii A.I., Gillette V.H. // IEEE Trans. on Nucl. Sci. 2006. V. 53. № 6. P. 3904.
Neutron Transmission for Some Perspective Single Crystal and Polycrystalline Filters
A. V. Rutkayskas, D. P. Kozlenko, S. E. Kichanov, G. D. Bokuchava, E. V. Lukin, B. N. Savenko
In this paper, the neutron transmission was studied for various materials which are considered as perspective neutron filters: single-crystal sapphire and bismuth, polycrystalline bismuth. Experimental results show that for neutrons with wavelengths of X > 2.5 A transmission coefficient reaches ~88% for the bismuth single crystal and ~78% for the sapphire single crystal. At the same time, the maximum transmission for polycrystalline bismuth does not exceed ~18%. The possibility of filters production on the base of bismuth and sapphire single crystals for X-ray part removing from neutron beams is discussed.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.