научная статья по теме РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ КСЕНОНОВОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ КАМЕРОЙ Физика

Текст научной статьи на тему «РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ КСЕНОНОВОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ КАМЕРОЙ»

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

539.1.074.2

РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ КСЕНОНОВОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ КАМЕРОЙ

© 2012 г. В. В. Дмитренко, К. Ф. Власик, В. М. Грачев,

А. Г. Духвалов, С. Е. Улин, З. М. Утешев, А. Е. Шустов

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 01.06.2011 г.

После доработки 23.12.2011 г.

Обсуждается возможность регистрации тепловых нейтронов с помощью ксенонового у-спектро-метра на основе цилиндрической ионизационной камеры, заполненной ксеноном при давлении 50 атм. Используется реакция радиационного захвата тепловых нейтронов 131Хе(я, у)132Хе* с испусканием у-квантов с энергией 668 кэВ, которые и регистрируются спектрометром. Анализируются результаты облучения ксенонового спектрометра с чувствительным объемом 0.2 л. Измеренная эффективность регистрации тепловых нейтронов составила 0.08%. Достоинством детектора является возможность одновременной регистрации и тепловых нейтронов, и у-квантов, что позволяет выполнять более надежную и эффективную идентификацию радиоактивных и делящихся материалов.

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 4, с. 3-6

УДК

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуальна задача контроля за нераспространением радиоактивных и делящихся материалов, для чего необходимы простые и надежные приборы, способные эффективно регистрировать как у-кванты, так и нейтроны. Существующие промышленные гамма-нейтронные комплексы решают такую задачу с помощью детекторов различного типа, раздельно регистрирующих у-кванты и нейтроны, что усложняет их эксплуатацию [1, 2].

В Радиационной лаборатории НИЯУ "МИФИ" разработаны ксеноновые спектрометры (к.с.) на основе цилиндрических импульсных ионизационных камер с экранирующими сетками. Энергетическое разрешение к.с. составляет 2.0 ± ± 0.3% при энергии у-квантов 662 кэВ [3, 4]. Ксе-ноновые детекторы обладают хорошей радиационной и температурной стойкостью [4], а также стабильностью при долговременной непрерывной работе [3]. Поскольку в естественном ксеноне содержатся изотопы, способные к радиационному захвату нейтронов, существует принципиальная возможность регистрации нейтронов по у-кван-там, сопровождающим радиационный захват. Таким образом, к.с. можно использовать и как детектор нейтронов.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1. Ксеноновый у-спектрометр

Эксперименты по регистрации тепловых нейтронов проводились с наполненным сжатым ксе-

ноном у-спектрометром, имеющим чувствительный объем 200 см3. Для наполнения у-детектора использовался предварительно очищенный ксенон с содержанием электроотрицательных примесей <10-10 молярных долей. Схема к.с. приведена на рис. 1, а его основные характеристики — в табл. 1.

Таблица 1. Основные физико-технические характеристики к.с.

Плотность ксенона, г/см3 0.4

Давление ксенона при 23°С, атм 50

Напряжение на катоде детектора, кВ 10

Напряжение на сетке детектора, кВ 7.5

Диапазон измеряемых энергий у-квантов, МэВ 0.05-2

Чувствительный объем, см3 200

Диаметр сетки, мм 12

Диаметр анода, мм 4

Толщина стенки детектора, мм 1.2

Энергетическое разрешение для энергии у-квантов 662 кэВ, % 2.0

Габариты, мм 038 х 230

Масса, кг 1

Энергопотребление, Вт 20

Питание, В 24

Рис. 1. Схема ксенонового у-спектрометра. 1 — тефлоновый изолятор; 2 — газовый вентиль; 3 — фланец с вентилем; 4 — керамическая опора для сетки; 5 — экранирующая цилиндрическая сетка; 6 — анод; 7 — заземленная металлическая нить; 8 — корпус детектора (катод); 9 — керамический гермоввод; 10 — фланец с электрическими выводами; 11 — высоковольтный фильтр; 12 — зарядочувствительный усилитель; 13 — источник высоковольтного питания; 14 — тефлоновый изолятор; 15 — разъем питания высоковольтного источника; 16 — разъем зарядочувствительного усилителя.

2.2. Условия и схема эксперимента

Оборудование и геометрия эксперимента по регистрации нейтронов к.с. схематически представлены на рис. 2. В качестве источника нейтронов использовался (Ри—Ве)-источник (период полураспада Т1/2 = 24000 лет, диапазон энергий нейтронов 0—14 МэВ, активность источника 4.6 • 106 Бк).

Персональный компьютер

Блок питания

Детектор )

Свинец

Полиэтилен

4 см

3.5 см

15 см

Радиус 11 см

(Ри-Ве)-источник

Рис. 2. Оборудование и схема эксперимента по облучению к.с. нейтронами и у-квантами от (Ри-Ве)-ис-точника.

Достоинством этого источника является незначительный фон сопутствующего у-излучения.

Для замедления нейтронов (Ри-Ве)-источник помещался в полиэтиленовый контейнер с толщиной стенок 11 см. Для снижения интенсивности у-квантов, сопровождающих образование нейтронов в (Ри-Ве)-источнике, между детектором и источником нейтронов устанавливался свинцовый экран толщиной 3.5 см. Сам полиэтиленовый замедлитель также является источником фоновых у-квантов. В нем при взаимодействии нейтронов с протонами генерируются у-кванты с энергией 2223 кэВ, которые частично проникают через свинцовый поглотитель.

Набор информации, ее хранение, обработка и визуализация полученных результатов осуществлялись с помощью платы анализатора импульсов 8В8-50М, установленной внутри персонального компьютера [5].

3. СПЕКТРОМЕТРИЯ РЕГИСТРИРУЕМЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Предварительно измеренный фоновый спектр в рабочем помещении показан на рис. 3а. Время экспозиции фонового спектра составило 54000 с. Затем с помощью к.с. были измерены спектры излучений от (Ри-Ве)-источника (рис. 3б). Для удобства сравнения на спектрах представлены скорости счета, а не количества событий. Время экспозиции составило 18000 с. Часть линий, присутствующих в измеренных спектрах, связана с наличием фонового излучения с энергией 2223 кэВ в лаборатории. Появление пика с энергией Еу = = 511 кэВ связано с аннигиляционными у-кван-тами, возникающими при взаимодействии у-излу-чения с энергией более 1022 кэВ с конструктивными элементами ксенонового детектора и материалами, окружающими его. Гамма-линия с энергией 477 кэВ, вероятно, связана с радиационным захватом нейтронов изотопом 10В, содержащимся в полиэтилене, окружающем (Ри-Ве)-источник.

РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

5

Скорость счета в канале, с 1 10-1

10

10

10

10

10-4-L

100

500 1000 1500 2000 Энергия, кэВ

2500

Рис. 3. Спектры, измеренные к.с. в рабочем помещении: а — естественного радиационного фона (время экспозиции 54000 с); б — при наличии источника нейтронов (время экспозиции 18000 с).

Помимо указанных линий, в спектре четко видна у-линия с энергией Еу = 668 кэВ. Площадь под пиком составила 11185 событий или 0.62 со-

Таблица 2. Распространенность изотопов ксенона в природе и сечения радиационного захвата нейтронов

Изотоп ксенона Содержание в смеси е, % Сечение ст, б, радиационного захвата нейтронов Эффективное сечение ест, б Энергия у-квантов радиационного захвата, кэВ

124Хе 0.1 165 0.165 188

126Хе 0.1 3.5 ~0.004 125

128Хе 1.9 8 0.152 197

129Хе 26.4 21 5.544 536

130Хе 4.1 26 1.066 164

131Хе 21.2 85 18.02 668

132Хе 26.9 0.45 0.121 233

134Хе 10.4 0.27 0.028 527

136Хе 8.9 0.26 0.023 601

бытий/с. (для фонового спектра площадь равна 2359 событий или 0.04 событий/с.). Анализ возможного механизма образования этой линии показал, что она не может возникнуть в (Ри-Ве)-ис-точнике или в материалах, окружающих детектор. Происхождение этой линии, скорее всего, связано с взаимодействием тепловых нейтронов с рабочим веществом к.с., а именно с изотопом ксенона 131Хе. Возникновение этой линии описывается реакцией радиационного захвата нейтронов в самом ксеноне:

Хе + п ^ Хе*

132..

^ Хе + у, Еу = 668 кэВ. (1)

По данным, приведенным в работе [7], естественный ксенон представляет собой смесь девяти преимущественно стабильных изотопов. В табл. 2 приведены процентные содержания в изотопов ксенона в смеси, сечения а радиационного захвата нейтронов, эффективное сечение ва и энергия испускаемого у-кванта.

Видно, что с наибольшей вероятностью нейтроны захватываются именно изотопом 131Хе, поскольку он имеет максимальное эффективное сечение захвата, равное 18 б. У ближайшего к нему по этому параметру изотопа 129Хе вероятность захвата нейтрона втрое ниже (эффективное сечение ~6 б).

Время жизни образующегося возбужденного ядра изотопа ксенона 132Хе составляет Т1/2 = 4.9 х х 10-12 с, и испущенный при захвате нейтрона у-квант с энергией 668 кэВ может тут же зарегистрироваться, вызвав ионизацию ксенона в результате фотоэффекта или серии комптоновских рассеяний.

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

При образовании у-линии с энергией 668 кэВ (см. реакцию (1)) у-кванты испускаются мгновенно, что позволяет регистрировать их в процессе облучения к.с. нейтронами от (Ри-Ве)-источни-ка. Экспериментально измеренная зависимость эффективности регистрации к.с. у-квантов показана на рис. 4.

Подсчитав число событий в пике (см рис. 3б) с энергией Еу = 668 кэВ, можно определить эффективность регистрации ксенонового у-спектрометра. Математическая обработка пика показала, что к.с. регистрирует порядка 0.021 событий/(с • см2). Для оценки эффективности регистрации нейтронов ксеноновым у-спектрометром поток нейтронов от (Ри-Ве)-источника в той же самой конфигурации эксперимента (см. рис. 2) был зарегистрирован нейтронным сцинтилляционным ^ЩЕи)-детектором диаметром 3 см и длиной 1.2 см. Согласно измерениям ^ЩЕи)-детектором, поток нейтронов, проходящих через к.с. в данном эксперименте, составил 27 нейтронов/(с • см2).

ДМИТРЕНКО и др.

Эффективность, %

101

10-

0 400 800

1200

1600 2000 Энергия, кэВ

Однако следует отметить, что практическое применение предложенного в данной работе метода регистрации нейтронов и у-квантов одним прибором ограничено вследствие недостаточного энергетического разрешения к.с., ~2% при 662 кэВ, и метод затрудняет разделение искомой у-линии 668 кэВ, вызванной радиационным захватом нейтронов, от у-линии с энергией 662 кэВ от 137Св, присутствие которого не всегда можно исключить.

Во избежание этих трудностей и с целью увеличения эффективности регистрации тепловых нейтронов ксеноновым у-спектрометром можно использовать реакцию захвата нейтрона ядром 3Не: 3Не(п, ^)3Н

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.

Показать целиком