Расчет процессов генерации, переноса и детектирования нейтронов в некоторых экспериментальных установках методом Монте-Карло тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Жуков, Александр Павлович

• Жуков, Александр Павлович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Жуков, Александр Павлович

Введение.

Глава 1. Методы и проблемы моделирования переноса частиц в сложных средах

§1.1. Описание современных транспортных кодов

§ 1.2. Сравнение кодов. Выбор наилучшего для моделирования нейтронного сигнала

§ 1.3. Интегрированная система разработки входных файлов для транспортных кодов

Глава 2. Моделирование экспериментальных установок нейтронного комплекса ИЯИ. Спектрометр по времени замедления (СВЗ-100) и импульсный источник нейтронов (ИН-06)

§2.1. Постановка задачи для моделирования СВЗ

§2.2. Моделирование сферического СВЗ

§ 2.3. Влияние формы представления нейтронных сечений

§ 2.4. Расчет СВЗ реальной геометрии

§ 2.5. Интенсивность нейтронного потока

§ 2.6. Результаты моделирования СВЗ

§ 2.7. Импульсный источник нейтронов (ИН-06)

§ 2.8. Моделирование генерации и переноса нейтронов в мишени

§ 2.9. Моделирование нейтронных потоков на выходах нейтронных каналов

Глава 3. Моделирование нейтронного сигнала для получения информации о первичном излучении

§3.1. Применение нейтронного сигнала в приборах физики космических лучей

§ 3.2. Система мониторинга потерь пучка линейного ускорителя SNS

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчет процессов генерации, переноса и детектирования нейтронов в некоторых экспериментальных установках методом Монте-Карло»

Компьютерное моделирование процесса взаимодействия адронов со сложными макроскопическими мишенями является необходимым этапом широкого круга исследований в фундаментальной и прикладной ядерной физике.

При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц и ядерной астрофизике, на ускорителях, на спутниках и орбитальных станциях, необходимо компьютерное моделирование экспериментальной установки с целью предсказания фоновых условий, отклика детекторов и т. п.

Ряд важных научно-технических проблем включает, как необходимый этап их решения, расчетно-теоретические исследования физики ядерно-каскадного процесса в среде. Расчеты генерации нейтронов в протяженных тяжелых мишенях под действием интенсивного пучка протонов ("spallation''-процесс) необходимы в контексте проблем нейтронной физики, ядерной физики, ускорительной физики.

Рождение нейтронов под действием адронов высоких энергий имеет место в области физики космических лучей.

Максимально приближенное к действительности компьютерное моделирование физических экспериментов требует разработки универсальных компьютерных программ, которые осуществляют моделирование всех значимых физических процессов.

Все перечисленное подтверждает актуальность темы настоящей диссертации.

Как известно, основным методом теоретического описания взаимодействия частиц со сложными мишенями в настоящее время является статистическое компьютерное моделирование (метод Монте-Карло). Поэтому универсальные компьютерные программы (общепринятое название - транспортные коды - "transport codes"), позволяющие проводить такое моделирование, являются обязательной частью современного инструментария в физике ядра и элементарных частиц и образуют важное направление в методике исследований.

Предметом настоящей диссертации являются применение транспортных кодов для моделирования установок нейтронного комплекса ИЯИ РАН и моделирование вторичных нейтронов для восстановления первичного излучения.

Использовались отечественный транспортный код SHIELD [1], разработанный в ИЯИ РАН, а также известные программы MCNP/MCNPX (LANL) [2] и Geant4 (CERN) [3].

В Главе 1 проводится анализ современных транспортных кодов, а также описан разработанный автором дружественный пользовательский интерфейс J Shield, позволяющий подготавливать входные файлы, описывающие геометрию и химический состав мишени единообразно для всех трех кодов в диалоговом режиме с визуализацией геометрии мишени.

В Главе 2 - основной главе диссертации - центральное место занимает изучение процесса распространения нейтронов в спектрометре по времени замедления СВЗ [5,6]. Благодаря специфическим нейтронным свойствам свинца, этот процесс имеет ряд интересных особенностей. Выполнено детальное моделирование пространственно-временной картины нейтронных полей в большом массиве свинца порядка 100 тонн. Хотя идея СВЗ была предложена 50 лет назад, такое подробное компьютерное моделирование ранее не проводилось.

Обнаружена, не обсуждавшаяся ранее, бимодальность нейтронного спектра при малых временах замедления, обусловленная вкладом неупругого рассеяния. Подтверждено предположение о зависимости разрешения спектрометра от расстояния от измерительного канала до источника нейтронов. Изучена зависимость константы замедления от эффективной средней плотности свинца, т.е. от наличия измерительных каналов и качества сборки спектрометра. Рассмотрен методический вопрос о влиянии формы представления нейтронных сечений (многогрупповое или точное) на результаты моделирования. Вычислены интенсивности потоков нейтронов в разных измерительных каналах СВЗ-100 в разные моменты времени при проектных и реальных параметрах пучка ускорителя, что имеет большое практическое значение для постановки экспериментов.

Также в Главе 2 представлены результаты расчетов интенсивности и спектров нейтронов вылетающих из мишени и во всех семи измерительных каналах импульсного источника нейтронов ИН-06 [7]. Моделирование проводилось для водоохлаждаемой вольфрамовой мишени с двумя водяными замедлителями, установленной в источнике в настоящее время, как при проектных, так и при фактических параметрах протонного пучка. Использовалась связка кодов SHIELD+MCNP.

Последняя Глава 3 посвящена использованию вторичных нейтронов для восстановления первичной картины облучения. В этой главе на примере ионизационного калориметра [8] и нейтронного супермонитора [9] продемонстрирована возможность использования нейтронного сигнала для восстановления характеристик космических лучей.

Совершенно иной по области применения, но аналогичной по целям и подходу к решению является задача о диагностике потерь пучка сильноточного линейного ускорителя протонов в проекте SNS по показаниям нейтронных детекторов системы диагностики пучка.

Необходимо отметить, что, в отличие от Главы 2, где моделирование нейтронных потоков на экспериментальных установках и являлось основной целью, в последней главе моделирование приборов физики космических лучей служит демонстрацией метода применения транспортных кодов для решения обратной задачи. Аналогично моделирование генерации нейтронов в конструктивных материалах ускорителя служит примером комплексного применения транспортных кодов для восстановления потерь ускорителя.

В Заключении кратко приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Жуков, Александр Павлович

Выводы

На текущий момент система мониторинга потерь находится в начальной стадии разработки, но первые успешные результаты сравнения эксперимента с модельными расчетами подтверждают правильность выбранной методологии для комплексного решения такого рода задач.

• На примере задач настоящего параграфа, комплекс JShield, описанный подробно в Главе 1, показал свою полезность и удобство для конечного пользователя.

• Измерения и расчеты нейтронных сигналов, полученные в рамках системы мониторинга, находятся в удовлетворительном согласии.

• Результаты измерений указывают на целесообразность использования нейтронных детекторов, как более чувствительных к общей картине потерь (тогда как гамма-детекторы хороши для локализованных потерь).

Заключение

В диссертации рассмотрены два способа применения транспортных кодов: прямое моделирование нейтронных потоков для установок нейтронной спектрометрии и использование вторичных нейтронов для решения обратной задачи.

Материал, изложенный в Главах 1-3, позволяет сделать следующие основные выводы, выносимые на защиту.

1. Автором разработан компьютерный интерфейс, позволяющий автоматизировать приготовление входных файлов для различных транспортных кодов (SHIELD, MCNPX,GEANT4), что существенно упрощает сравнительный анализ расчетных результатов, полученных с помощью разных программ переноса, а также совместное использование этих кодов. Интерфейс также позволяет в едином виде визуализировать результаты моделирования.

2. Произведен комплексный расчет установок нейтронного комплекса ИЯИ РАН: a. Получен и объяснен эффект бимодальности спектра нейтронов, замедляющихся в СВЗ b. Получены численные характеристики СВЗ, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными (разрешение установки, константа замедления). c. Впервые проведено детальное моделирование импульсного источника нейтронов ИН-06, форма расчетного спектра на выходе нейтроноводного канала находится в хорошем согласии с экспериментом.

3. Автором продемонстрирована широта применения нейтронного сигнала в качестве источника информации о первичном излучении. Предложена система мониторинга потерь пучка линейного ускорителя, главным элементом которой является исследование нейтронного сигнала с нейтронных датчиков потерь.

Результаты, защищаемые в диссертации, получены впервые. Они опубликованы в период с 1998 по 2005 год в журналах Nuclear Instruments & Methods, Известия. Академии наук (Серия Физическая), "Краткие сообщения по физике", в трудах Международных конференций и совещаний, в виде препринтов отечественных Научных организаций [5-9, 95-99].

В заключение автор считает своим приятным долгом поблагодарить своего научного руководителя и учителя д.ф.-м.н. Н.М. Соболевского за проявленное им терпение, заведующего ЛНИ ИЯИ д.ф.-м.н. А.Д. Перекрестенко за большое внимание к диссертации, к.ф.-м.н. С.Ф. Сидоркина за предоставленные графические схемы ИН-06. Также автор благодарен всему коллективу Лаборатории Нейтронных Исследований ИЯИ за дружескую атмосферу и многочисленные обсуждения тематики диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Жуков, Александр Павлович, 2005 год

1. S. Agostinelli et al. GEANT4: A Simulation Toolkit. NIM A 506(2003) 250303

2. JShield Integrated Development Environment for Monte-Carlo Simulations of particle transport. SNS project, Software Library, ORNL

3. А.А. Бергман, O.H. Гончаренко, А.П.Жуков, А.Д.Перекрестенко, Н.М.Соболевский. Моделирование переноса нейтронов в спектрометре по времени замедления в свинце (СВЗ) методом Монте-Карло. Препринт ИЯИ РАН 1089 Москва, 2002

4. А.А.Бергман, О.Н.Гончаренко, А.П.Жуков, А.Д.Перекрестенко, Н.М.Соболевский. Интенсивность нейтронного потока в спектрометре по времени замедления в свинце (СВЗ). Расчет методом Монте-Карло. Препринт ИЯИ РАН 1099/2003, Москва

5. А.П.Жуков, А.Д.Перекрестенко, С.Ф.Сидоркин, Н.М.Соболевский. Спектры нейтронов импульсного источника нейтронов ИН-06 ИЯИ РАН. Препринт ИЯИ РАН, Москва, 2005 (в печати).

6. K.V.Alexandrov, M.Ambrosio, V.V.Ammosov, V.P.Antonova, C.Aramo, V.Bonvicini, V.A.Chechin, A.P.Chubenko, V.I.Drobzhev,

7. A.D.Erlykin, M.Fujii, Y.Hatano, S.V.Kryukov, E.A.Ladygin,

8. В.П.Антонова, Л.И.Вильданов, А.П.Жуков, Г.Б.Жданов, С.В.Крюков, Р.А.Мухамедшин, В.В.Оскомов, В.В.Пискаль, Т.Х.Садыков, Н.М.Соболевский, А.П.Чубенко, А.Л.Щепетов.

9. Калибровка нейтронного монитора НМ-64 и связь спектра кратностей нейтронов с энергетическим спектром адронов на уровне гор. Изв. Академии наук, Сер. Физическая, 66 (2002) 1578.

10. A.V.Dementyev, N.M.Sobolevsky. SHIELD Universal Monte Carlo Hadron Transport Code: Scope and Applications. Radiation Measurements, 30(1999)553.

11. N.Sobolevsky. Space Radiation Shielding and Environment Applications with the SHIELD Transport Code. Geant4 Space Users' Forum, 20-22 January 2003, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands.

12. MCNP™ -A General Monte Carlo N-Particle Transport Code. Version 4B. J.F.Briesmeister, Ed. LANL report LA-12625-M (March, 1997).

13. L.S.Waters, Ed. MCNPX User's Manual, Version 2.4.0. Los Alamos National Laboratory Report LA-CP-02-408 (September 2002).2Q.MCNPX home page, http://mcnpx.lanl.gov/

14. MCNPX 2.4.0. distribution. Radiation Safety Information Computational Center (RSICC) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). http://www-rsicc.ornl.gov/

15. GEANT4 homepage http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant4/geant4.html

16. R.Brun et al. GEANT User Guide and Reference Manual CERN DD/78/2.

17. V. N. Ivanchenko et al Geant4: physics potential for instrumentation in space and medicine. NIM A: Volume 525, Issues 1-2,1 June 2004, Pages 402-405

18. N.V. Mokhov, K.K. Gudima, S.G. Mashnik et al. Physics Models in the MARS15 Code for Accelerator and Space Applications , Fermilab-Conf-04/269-AD

19. M.A. Kostin and N.V. Mokhov. Parallelizing the MARS15 Code with MPlfor Shielding Applications ,Fermilab-Conf-04/054

20. MARS Code System http://www-ap.fnal.gov/MARS/

21. EGS homepage http://www.slac.stanford.edu/egs/

22. W.R.Nelson, H.Hirayama, D.W.O.Rogers. The EGS4 Code System, SLAC-265 (1985).

23. Л.Р.Абагян, Н.О.Базазянц, М.Н.Николаев, А.М.Цибуля. Групповые константы для расчета реакторов и защиты. Энергоиздат. Москва, 1981.

24. V.D.Toneev, K.K.Gudima. Nucl. Phys. A400 (1983) 173c.

25. Н.С.Амелин, К,К,Гудима, В.Д.Тонеев. Ядерная Физика 51 (1990) 1730.

26. Н.С.Амелин, К,К,Гудима, С.Ю Сивоклоков, В.Д.Тонеев. Ядерная Физика 52(1990) 272.

27. K.K.Gudima, S.G.Mashnik, V.D.Toneev. Nucl. Phys. A401 (1983)329.

28. A.S.Botvina, A.S.IIjinov, I.N.Mishustin et al. Nucl. Phys. A475 (1987) 663.

29. Г.Д.Адеев, А.С.Ботвина, А.С.Ильинов и др. Метод расчета массово-энергетических распределений осколков деления ядер частицами средних энергий. Препринт ИЯИ РАН 816/93, Москва, 1993.

30. A.S.Botvina, A.S.IIjinov, I.N.Mishustin. Nucl. Phys. A507 (1990) 649.40 .Japanese Evaluated Nuclear Data Libraryhttp://wwwndc.tokai.jaeri.qo.jp/jendl/jendl.html41 .Extensible Markup Language (XML) World Wide Web Consortium http;//www.w3.org/XML/

31. Standard Generalized Markup Language (SGML) IS08879. International Organization for Standardization (ISO) http: //www, iso. org/

32. Л.ЕЛазарева, Е.Л.Фейнберг, Ф.Л.Шапиро. ЖЭТФ 29 (1955) 381

33. Исследования по нейтронной физике. Труды ФИАН им. Лебедева. Наука. Москва, 196

34. Ж.-А.М. Джилкибаев, М.В.Казарновский. Пространственно-энергетически-временное распределение нейтронов от импульсного источника в свинце и разрешающая способность спектрометра по времени замедления. Препринт ИЯИ РАН П-0191 Москва, 1981

35. Ю.П.Попов. Спектрометрия нейтронов по времени замедления в свинце. Сборник "Физика элементарных частиц и атомного ядра" 26 (1995) 1503-1523

36. A.A.Alexeev , A.A.Bergman, et al. New 100-tonn neutron slowing down spectrometer oflNR. First experiments on (n,y) and (njission) reactions. IX International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (ISINN-9), Dubna, May 23-26, 2001, p. 11-16

37. TARC Collaboration Neutron Driven Nuclear Transmutation by Adiabatic Resonance Crossing, CERN-SL-99-038 EET

38. C.Rubia, Relation between Time and Kinetic Energy in a Constant Lethargy Medium, CERN/AT/ET Internal Note 95-110

39. A.A. Bergman et al., International Conference on the peaceful Uses of Atomic Energy, 1, Geneva, 1955, p. 642

40. A.A. Bergman et al., Sov. Phys. JETP 6 (1958) 6.

41. M. Sawan and R.W. Conn, Nucl. Sci. Eng., 54 1974) 127

42. Jeng-Chang Chou and H. Werle, J. Nucl. Energy, 27 (1973) 811

43. Yu.Ya.Stavissky. Neutron facilities of Moscow meson and kaon factories. Proc. of 11th Meeting of International Collaboration on Advanced Neutron Sources ICANS- XI, October 22-26, 1990, KEK, Tsukuba, Japan, p.87.

44. Р.Г.Васильков, В.И.Гольданский, В.В.Орлов. Об электрическом бридинге. УФН, 139 (1983) 435.

45. C.Rubbia, S.Buono, Y.Kadi, J.A.Rubio. Fast Neutron Incineration in the Energy Amplifier as Alternative to Geologic Storage: the Case of Spain. CERN/LHC/97-01 (EET).

46. C.Rubbia, S.Buono, E.Gonzales, Y.Kadi, J.A.Rubio. A Realistic Plutonium Elimination Scheme with Fast Energy Amplifies and Thorium-Plutonium Fuel. CERN/AT/95-53 (ET).

47. C.Rubbia, J.A.Rubio, S.Buono et al. Conceptual Design of a Fast Neutron Operated High Power Energy Amplifier. CERN/AT/95-44(ET), Geneva, 1995.

48. В.И.Субботин. Ускорители могут сделать ядерную энергетику более безопасной. Сообщение ОИЯИ Р1-99-97, Дубна, 1999.

49. Э.А.Коптелов, Л.И.Кравчук, С.Марков, В.А.Матвеев,

50. Yu.M.Bulkin, M.T.Vorontsov, M.I.Grachev, M.V.Kazarnovsky, N.V.Kolmychkov, V.M.Lobashev, S.V.Serezhnikov, S.F.Sidorkin, Yu.Ya.Stavissky, V.I.Trushkin, V.V.Khmelschikov, N.A.Khryastov.

51. Complex of neutron sources for physical researches on the basis ofproton beam of meson factory. Conference on neutron generators Gaussik, GDR. 1984

52. Yu.M.Bulkin et.al. Assembly of neutron sources based on proton beams of Moscow meson factory. Neutron Scattering in the 'nineties, IAEA, VIENNA, 1985, p.369.

53. N.V.Kolmychkov, V.D.Laptev, V.A.Matveev, L.N.Latisheva, S.V.Serezhnikov, S.F.Sidorkin, N.M.Sobolevsky, Yu.Ya.Stavissky,

54. S.F.Sidorkin, E.A.Koptelov, A.D.Perekrestenko, Yu.Ya.Stavissky,

55. V.I.Trushkin, N.M.Sobolevsky. Neutron targets of Moscow meson facility. Status, problems, prospects. Proc. of the 15th Meeting of International Collaboration on Advanced Neutron Sources ICANS-XV, November 6-9, 2000, Tsukuba, Japan, p. 1208.

56. A.D.Dementyev, V.V.Khodakovsky, S.G.Lebedev, S.F.Sidorkin, O.N.Smirnova, N.M.Sobolevsky, Y.Y.Stavissky. Targets of neutron complex oflNR RAS. Proceedings of the International Workshop of JHF Science (JHF 98). V.3, KEK, Tsukuba, Japan. March 3-7, 1998.

57. S.F.Sidorkin, Yu.Ya.Stavissky. Multiplying neutron targets on the basis of proton beam of the Moscow meson factory. Neutron physics. Maters of the 1-st International conference on neutron physics, Kiev 21.09-25.09 1987, v.4, p. 15. Moscow 1988.

58. K.V.AIexandrov, V.V.Ammosov, A.P.Chubenkol, G.I.Merzonl, R.A.Mukhamedshin, V.N.Murashov, V.P.Pavlyuchenko, V.A.Ryabov, O.G.Ryazhskaya, T. Saito, A.L.Shchepetov, N.M.Sobolevsky, I.S.Trostin, V.A.Tsarev, G.T.Zatsepin, G.B.Zhdanov, A.P.Zhukov. The

59. CA Collaboration: Present status and outlook. Proc. of 27th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, Germany, 07-15 August 2001, pp. 21712174

60. Simpson J.A., Fongen W., and Treiman S.B.,Phys. Rev.A, 90,934 (1953)

61. Дорман Л.И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, Москва, Наука, 1975

62. Ryazhskaya O.G., Thesis, Dr. Phys.-Mat. Sci., Moscow INR, Ac. Sci USSR, 1986

63. Еникеев Р.И., Зацепин Г.Т., Королькова E.B. и др. Ядерная Физика 46,5(11), с.1492 (1987)

64. Амосов В.В., Меерзон Г.И. и др. Письма в ЖТФ. 24, 18 (1998) с.35

65. Hatton C.J., Carmchael H.//Canad. J. Phys. 1 (1964) 12 p. 2442

66. Hatton C.J., //Progress in Elem. Phys.: Particles and Cosmic Ray Phys. 10 (1971) p.3

67. Shen M.-L. //Suppl. Nuovo Cimento. 4 (1968) p.1435

68. Васильков Р.Г. и др. ЯФ 7(1968) 88

69. М.И. Адамович и др. Труды ФИАН 108 (1979) 65

70. М. Козодаева и др. ЯФ, 22 (1975) 730

71. Spallation Neutron Source, http://www.sns.gov91 .S. Assadi LIN AC Beam Diagnostics Performance and Progress Report. SNS ASAC Review, September 2004

72. Report on the Pulsed Polarized Neutrons Workshop, February 2003, Gaitherburg, Maryland (Rev. 1, 08-09-04)http://www.sns.gov/documentation/pulsedpolarizedneutronsworkshopr l08-09-04.pdf

73. D. Jeon and J. Stovall, SNS Linac Commissioning Transverse Matching, Proc. of 2003 Particle Accelerator Conference, p.2652, Portland, Oregon, USA, 2003.

74. Phase and Radial Motion in Ion Linear Accelerators (PARMILA) http://laacg 1 .lanl.gov/laacg/services/parmila.html