ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 35-37
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.1.074.88+539.1.074.3+539.12.04
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ С КРИСТАЛЛОМ
СТИЛЬБЕНА
© 2004 г. Е. Е. Клименков, Ю. А. Кащук, А. В. Красильников, А. А. Олейников, В. Д. Севастьянов*, Л. А. Трыков**, Н. Н. Семенова**
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" Россия, 142190, Троицк Московской области Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Нейтронные детекторы с органическими сцинтилляторами, в частности с кристаллами стильбена, предполагается использовать для измерения характеристик нейтронного излучения в международном экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР. Эти детекторы будут применяться в качестве радиометров нейтронного излучения (мониторов нейтронного потока) в многоканальном нейтронном коллиматоре для получения пространственных характеристик плазменного источника термоядерных нейтронов с временным разрешением 1 мс. Кроме того, работа в спектрометрическом режиме обеспечит измерение энергетического спектра термоядерных нейтронов, что несет информацию о температуре термоядерной плазмы и об отношении концентраций дейтерия и трития. При этом за время работы реактора детекторы будут подвергнуты облучению значительным флю-енсом быстрых нейтронов. Представлены первые результаты по исследованию характеристик кристаллов стильбена при облучении флюенсом быстрых нейтронов до 1014 нейтронов/см2.
В экспериментах с нестационарными источниками нейтронов, такими как циклотроны и ускорители заряженных частиц, нейтронные генераторы или термоядерные установки, часто необходимо обеспечить измерение эволюции нейтронного выхода с высоким временным разрешением на фоне сопутствующего у-излучения. Наиболее подходящими для решения этих задач являются органические сцинтилляционные детекторы, обладающие хорошим временным разрешением, высокой эффективностью регистрации и главное - возможностью разделения сигналов нейтронного и у-излучения по форме импульса. Обычно в таких экспериментах используются жидкие органические сцинтилляторы №213, ВС501 или органические кристаллы: антрацен, стильбен, ПТФ (пара-терфенил) и др. Наиболее детально изучены характеристики световыхода быстрых сцинтилля-торов N¿213 и стильбена, которые обеспечивают лучшее разделение сигналов нейтронного и у-излучения. В разных источниках [1, 2] данные о величине световыхода значительно различаются. Для уточнения этих данных были проведены сравнения световыхода и спектрометрических характеристик в идентичных условиях (геометрия измерений, фотоэлектронные умножители, регис-
*ГП "ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений", п/о Менделеево Солнечногорского р-на Московской области.
**ГНЦ РФ "Физико-энергетический институт", Обнинск Калужской области.
трирующая аппаратура). Результаты измерений приведены в таблице.
Кристалл стильбена является оптимальным детектирующим элементом в системе регистрации нейтронных потоков и спектрометрии нейтронного излучения термоядерной плазмы ИТЭР, поскольку обладает более быстрым высвечиванием, чем антрацен, и обеспечивает энергетическое разрешение, лучшее чем N¿213. Предварительный анализ характеристик нейтронных полей ИТЭР показывает, что плотность потока термоядерных нейтронов в месте размещения детекторов может составить ~ 108-109 нейтронов/см2 с. Это означает, что за время эксплуатации реактора детекторы могут набрать флюенс быстрых нейтронов 1014-1015 нейтронов/см2.
В качестве критериев радиационной стойкости нейтронных спектрометров были выбраны изменения относительного световыхода и энергетического разрешения. Эти величины контролировались при облучении кристаллов стильбена до различных значений флюенса быстрых нейтронов. Для облучения в потоках быстрых нейтронов
Тип Световыход относи- Энергетическое
сцинтиллятора тельно антрацена разрешение, %
Антрацен 100 10
Стильбен 82 15
N¿213 51 19
35
3*
36
КЛИМЕНКОВ и др.
Фп, отн. ед.
101 ■
100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
г
Ф(Е)АЕ
1фЕ)АЕ
102
103
104
105 106 107 Е, эВ
Рис. 1. Энергетический спектр нейтронов в канале реактора БР-1 в месте облучения кристаллов стильбена.
Количество импульсов
105 Е
104 :
103 г
102
100
300 500 700 900
Амплитуда сигнала, отн. ед.
Рис. 2. Аппаратурные спектры у-источника 60Со, измеренные спектрометром с кристаллами стильбена, облученными до различных значений флюенса быстрых нейтронов.
Световыход, отн. ед. 1000 г
800 600 400 200
АЕ/Е.
, % 50
40
30
20
10
0.....................................................................0
108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 Ф„, нейтронов/см2
Рис. 3. Зависимость относительного световыхода и энергетического разрешения АЕ/Е кристалла стильбена от величины набранного флюенса быстрых нейтронов.
были отобраны три кристалла стильбена с близкими значениями световыходов (отклонение не превышало 20%). Различие в значениях световыхода кристаллов учитывалось нормированием результатов измерений на данные кристалла с минимальным значением световыхода. Кристаллы были облучены в центральном канале реакторе БР-1. Спектр нейтронов показан на рис. 1, средняя энергия нейтронов в месте облучения (Еп) = 1.2 МэВ.
Кристаллы стильбена (1-, 2-, 3-й) были облучены соответственно до следующих значений нейтронного флюенса: ~1012, ~1013, ~1014 нейтронов/см2. Один из отобранных кристаллов в течение длительного времени (более 15 лет) использовался в многочисленных экспериментах с радионуклидными источниками нейтронов. Величина нейтронного флюенса, набранного за это время, оценивается на уровне ~109 нейтронов/см2. Никаких заметных изменений характеристик детектора при этом не наблюдалось, поэтому эта величина флюенса нейтронов может рассматриваться в качестве начального значения при анализе радиационной стойкости.
Значения относительных световыходов и энергетических разрешений кристаллов в зависимости от величины флюенса быстрых нейтронов контролировались при помощи образцовых у-ис-точников 60Со и 137Ва. На рис. 2 приведены аппаратурные спектры источника 60Со, измеренные спектрометром с кристаллами стильбена, облученными до различных значений флюенса быстрых нейтронов. С увеличением нейтронного флюенса происходит изменение функции отклика детектора - уменьшается амплитуда сигнала и ухудшается энергетическое разрешение. При этом относительные изменения величины световыхода зависят от энергии регистрируемого излучения. Амплитуда сигналов от у-квантов источника 60Со (средняя энергия регистрируемых комптоновских электронов ~1 МэВ) уменьшилась в 3.5 раза при наборе флюенса 1014 нейтронов/см2, в то время как амплитуда сигналов от у-квантов источника 137Ва (энергия комптоновских электронов ~0.2 МэВ) уменьшилась только в 2.5 раза. Зависимости относительного световыхода (т.е. амплитуды сигнала) для источников 60Со и 137Ва от величины флюенса быстрых нейтронов приведены на рис. 3. Качественным образом этот эффект можно объяснить предполагаемой зависимостью спектра высвечивания сцинтилляций от энергии регистрируемых электронов и различной степенью оптической прозрачности для разных областей спектра высвечивания сцинтилляций. Нужно отметить, что при облучении до флюенса 1013 нейтронов/см2 кристаллы стильбена остаются оптически прозрачными без видимых дефектов. При облучении до флюенса 1014 нейтронов/см2 кристаллы мутнеют и приобретают желто-коричневый оттенок.
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА 37
Зависимость относительного энергетического разрешения для у-квантов 60Со от величины флю-енса быстрых нейтронов представлена пунктирной линией на рис. 3. Как видно из этих данных, детектор нейтронов с кристаллом стильбена может эффективно использоваться как спектрометр в потоках быстрых нейтронов до флюенса 1013 нейтронов/см2, при этом энергетическое разрешение меняется незначительно. В счетном режиме как монитор потока быстрых нейтронов стильбеновый детектор сохраняет работоспособность при облучении до флюенса 1014 нейтронов/см2.
Необходимо отметить, что свойство разделения сигналов нейтронного и у-излучения по форме импульса сохраняется при облучении кристаллов до флюенса 1014 нейтронов/см2.
Проведен анализ радиационной стойкости стиль-бенового спектрометра нейтронов с разделением сигналов по форме импульса при облучении в по-
токе быстрых нейтронов. Поскольку облучение кристаллов проводилось в активной зоне ядерного реактора, спектр нейтронов которого отличается от спектра нейтронов термоядерной установки, а также в связи с наблюдаемой зависимостью относительного уменьшения световыхода от энергии регистрируемого излучения, для дальнейшего анализа возможности применения органических сцинтилляционных детекторов в системе нейтронной диагностики ИТЭР необходимо провести радиационные испытания этих детекторов в потоках термоядерных нейтронов с энергией 14 МэВ на нейтронных генераторах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колеватов Ю.И, Семенов В.П., Трыков Л.А. Спектрометрия нейтронов и гамма-излучения в радиационной физике. М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Knoll G. F. Radiation Detection and Measurements. N.Y.: John Wiley&Sons, Inc., 2000.
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004
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.