ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 10, с. 1228-1230
УДК 539.1.074.8
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ НЕЙТРОНОВ В ИНТЕРВАЛЕ ЭНЕРГИИ 5-70 МэВ
© 2012 г. С. В. Зуев, Е. С. Конобеевский, И. М. Шарапов
Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Москва
E-mail: konobeev@inr.ru
Получены аппаратные функции для детекторов нейтронного годоскопа, используемого в эксперименте по изучению реакции nd-развала. Рассмотрено влияние вкладов различных процессов, происходящих в сцинтилляторе под действием нейтронов, на величину световыхода при различных энергиях падающих нейтронов. Зависимость эффективности детекторов от энергии нейтронов получена в интервале 5—70 МэВ для различных порогов регистрации.
На протяжении многих лет реакция пё-развала является основным инструментом исследования нейтрон-нейтронного взаимодействия. Важный аргумент для продолжения как экспериментальных, так и теоретических исследований этой реакции — серьезные и неустранимые до последнего времени несоответствия между теорией и экспериментальными данными. Для получения новых данных о нейтрон-нейтронном взаимодействии в широкой области энергии (20—100 МэВ) в ИЯИ РАН создана установка для исследования реакции пё-развала. Установка позволяет регистрировать и определять энергии всех трех конечных частиц: двух нейтронов и протона. Эксперимент проводится на нейтронном пучке канала РАДЭКС Московской мезонной фабрики ИЯИ РАН [1].
В качестве источника нейтронов используется ловушка пучка протонов линейного ускорителя ИЯИ с энергией 200 МэВ. Образованные в вольфрамовой мишени (60 мм нейтроны коллими-руются под углом 0° на длине 12 м, формируя пучок с диаметром ~50 мм на измерительной мишени. Энергетический спектр первичных нейтронов канала РАДЭКС, падающих на измерительную мишень, был измерен в [2]. Для регистрации нейтронов используются детекторы в виде прямоугольных призм с сечением 100 х 140 мм2 и длиной 300 мм, изготовленные из сцинтиллирующей пластмассы (полистирол ([—СН2—СН(С6Н5)—]И) + + терфенил (с18Н14) + РОРОР (С24Н16^02), производства завода "Монокристалл", г. Харьков). При этом для получения абсолютных значений сечений необходимо знать эффективность регистрации нейтронов в этих детекторах в широкой области энергий нейтронов 5—100 МэВ.
Для расчета (моделирования) эффективности детектирования нейтронов в сцинтилляционных детекторах на основе полистирола была использована программа 8СШРиЬ [3], адаптированная для работы на персональном компьютере и поз-
воляющая рассчитывать методом Монте-Карло полный энергетический отклик жидких и твердых органических сцинтилляторов типа N£-213 и N£-110 на падающие нейтроны с энергиями от 0.1 до 80 МэВ.
Моделирование было проведено для твердого органического сцинтиллятора N£-110 эквивалентного сцинтиллятору, который был использован в нашем эксперименте. Взаиморасположение источника нейтронов и детектора также соответствовало экспериментальному, при этом источник нейтронов был расположен на расстоянии 5 м от детектора по его оси. Для каждой экспериментальной серии была набрана статистика 300—500 тыс. нейтронов, попавших в объем детектора.
Основные каналы реакций, которые учитываются при моделировании в программе ВСШБиЬ, следующие: упругое взаимодействие нейтрона с водородом, упругое взаимодействие нейтрона с углеродом, неупругое взаимодействие нейтрона с
N 4
2
0 2 4 Еее, МэВ
Рис. 1. Парциальные вклады различных реакций в све-товыход детектора при облучении нейтронами с энергией 10 МэВ в зависимости от энергии Еее электронного эквивалента: 1 — рассеяние нейтрона на водороде,
12 12 2 — реакция С(п, а), 3 — реакция С(п, п3а).
• 10, соб.
N • 10-2, соб. 20
10 -
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Ж- Ю-2, соб.
1229
10
20
30 Еее, МэВ
Рис. 2. Парциальные вклады различных реакций в световыход детектора при облучении нейтронами с энергией 50 МэВ: а - 1 - рассеяние нейтрона на во-
дороде, б - реакции — 2 -12С(п, р), 3 - 12С(п, 4
12г
12С(п, 0, в - реакции - 5 - 12С(п, а), 6 - 12С(п, 7 - 12С(п, п3а).
Не),
_1_I_I_1_
20
40 60
Еее, МэВ
Рис. 3. Аппаратные функции сцинтиллятора для различных энергий падающих нейтронов: а - Еп = = 30 МэВ, б - Еп = 50 МэВ, в - Еп = 70 МэВ.
углеродом и реакции вида 12С(п, Х). Наибольший вклад во взаимодействие нейтрона с углеводородным детектором дает реакция рассеяния нейтронов на водороде, а также такие реакции, как 12С(п, р), 12С(п, ?), 12С(п, 0, 12С(п, а), 12С(п, 3Не), 12С(п, п3а) и др. На рис. 1 и 2 показаны парциальные вклады различных реакций в световыход детектора при облучении его нейтронами с энергией 10 МэВ и 50 МэВ соответственно.
Из рис. 1 видно, что при облучении нейтронами с энергией 10 МэВ основной вклад в энергетический спектр детектора дает реакция рассеяния нейтронов на водороде. Остальные реакции дают либо нулевой вклад, либо вклад в низкоэнерге-тичную часть спектра (меньше 0.3 МэВ электронного эквивалента).
При энергии нейтронов более 10 МэВ вклад в спектр начинает давать гораздо большее число реакций со сравнимыми с реакцией рассеяния ней-
трона на водороде весами. При энергии 50 МэВ (см. рис. 2) это реакции 12С(п, ? в области эквивалентных энергий Еее = 0-18 МэВ, 12С(п, 1) - до 12 МэВ, 12С(п, п3а) - до 10 МэВ и 12С(п,р) - 2025 МэВ.
Таким образом, для получения реальных аппаратных функций (энергетических спектров сцинтиллятора при облучении нейтронами с определенной энергией) в широкой области энергий необходим учет большого количества реакций. На рис. 3 показаны аппаратные функции рассматриваемого сцинтиллятора для нескольких энергий падающих нейтронов.
Расчеты аппаратных функций были проведены в интервале энергий нейтронов 5-70 МэВ, облучающих сцинтилляционный детектор. Для получения кривых зависимости эффективности от энергии нейтронов проводилась нормировка интегралов аппаратных функций на количество ней-
а
8
0
0
4
8
2
0
0
4
8
0
0
1230
ЗУЕВ и др.
20
40
60 En, МэВ
Рис. 4. Зависимость моделированной эффективности пластмассового сцинтиллятора от энергии падающих нейтронов для различных порогов регистрации в долях Еее (МэВ): кривая 1 - порог регистрации 0.25 Еее, 2 - 0.75 Еее, 3 - 1.25 Еее, 4 - 1.75 Еее, 5 - 2.25 Еее.
Б 0.2
0.1
0
200
400 H, см
Рис. 5. Зависимость эффективности регистрации 5 от продольного размера детектора Н для энергии Е нейтронов 20 МэВ и пороге регистрации 1.25 Еее.
Б
0.16 0.15 0.14
0
4
8
L, м
Рис. 6. Зависимость 5 от расстояния мишень-детектор Ь для тех же значений Е и порога регистрации, что и на рис. 5.
тронов попавших в детектор. На рис. 4 показаны кривые зависимости эффективности от энергии нейтронов (в диапазоне 5-70 МэВ) для различных порогов регистрации.
Расчеты были проведены также для различных размеров детекторов. На рис. 5 показана зависимость эффективности детектора от продольного размера для энергии нейтронов 20 МэВ при пороге
регистрации 1.25 МэВ электронного эквивалента. Полученные результаты подтвердили правильность выбора размера 300 мм для наших детекторов. Меньшие размеры детектора, например 100 мм, дают значительно меньшие эффективности практически во всем диапазоне энергий, в то же время больший размер детектора, например 500 мм, незначительно увеличивает эффективность, но ведет к значительно большему количеству фоновых событий, пропорциональных объему детектора.
Расчеты эффективности для различных расстояний мишень-детектор (1—10 м) проводились для продольного размера детектора 300 мм. При расстоянии более 3 м влияние расстояния на эффективность (влияние краевых эффектов — косых прохождений через детектор) незначительно — порядка 1—2% от величины эффективности (см. рис. 6).
В работе получены аппаратные функции для детекторов нейтронного годоскопа, используемого в эксперименте по изучению реакции nd-развала. Полученные аппаратные функции могут быть использованы для восстановления спектра нейтронов, падающего на дейтериевую мишень, методом обратной задачи [4]. Рассмотрено влияние вкладов различных процессов, происходящих в сцинтилляторе под действием нейтронов, на величину световыхода при различных энергиях падающих нейтронов. Изучено влияние порога регистрации, а также формы и размеров детекторов нейтронов на эффективность регистрации нейтронов. Зависимость эффективности детекторов от энергии нейтронов получена в интервале 5-70 МэВ с шагов 2-10 МэВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 10-02-00603.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурмистров Ю.М., Зуев С.В., Конобеевский Е.С. и др. // ПТЭ. 2009. Т. 52. № 6. С. 11.
2. Бурмистров Ю.М., Зуев С.В, Конобеевский Е.С, Мордовской М.В., Поташев С.И., Сергеев В.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. № 3. С. 430; Burmistrov Yu.M., Zuyev S.V, Konobeevski E.S., Mordovskoy M.V., Potashev S.I., Sergeev V.A. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2007. V 71. № 3. P. 415.
3. Dickens J.K. SCINFUL: A Monte Carlo Based Computer Program to Determine a Scintillator Full Energy Response to Neutron Detection for En Between 0.1 and 80 MeV: User's Manual and FORTRAN Program Listing // ORNL report. 1988. ORNL-6462.
4. Зуев С.В., Конобеевский Е.С., Мордовской М.В., Шарапов И.М. // Изв. РАН. Сер. физ. 2012. Т. 76. № 4. С. 465; Zuyev S.V., Konobeevski E.S., Mordovskoy M.V., Sharapov I.M. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2012. V. 76. № 4. P. 409.
Б
0
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.