Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Санников, Александр Венедиктович

• Санников, Александр Венедиктович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Санников, Александр Венедиктович

Введение

1. Разработка пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов 6 и калибровка индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения за защитой протонного синхротрона ИФВЭ

1.1. Экспериментальная методика

1.2. Метод восстановления нейтронных спектров

1.3. Тестовые расчеты и эксперименты

1.4. Измерение спектров нейтронов за защитами протонных 16 ускорителей

1.5. Калибровка индивидуальных дозиметров нейтронов в полях 22 рассеянного излучения за защитой ускорителя

2. Применение спектрометра Боннера на основе индиевого 29 активационного детектора для исследования спектральных и дозовых характеристик высокоэнергетических опорных полей ЦЕРН

2.1. Методика расчета функций чувствительности 3 О

2.2. Результаты расчета и методы интерполяции

2.3. Программа восстановления нейтронных спектров В(Ж

2.4. Измерение высокоэнергетических спектров нейтронов 45 опорных полей ЦЕРН

3. Функции чувствительности спектрометров Боннера в области 54 высоких энергий и измерения в высокоэнергетических полях излучения спектрометром на основе 3Не-счетчика

3.1. Расчеты функций чувствительности

3.2. Универсальная программа восстановления нейтронных 62 спектров ВСДО

3.3. Результаты измерения высокоэнергетических спектров 65 нейтронов спектрометром Боннера вБР

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методов спектрометрии нейтронного излучения на больших протонных ускорителях»

Различные методы спектрометрии нейтронного излучения широко используются на ядерно-физических установках для целей дозиметрии и защиты персонала. Необходимость их применения обусловлена широким диапазоном энергий нейтронов за биологическими защитами - от 10"8 до 10 МэВ на реакторах и до сотен МэВ на ускорителях - и невозможностью измерения доз нейтронов с требуемой точностью во всем этом диапазоне с помощью простых дозиметрических систем.

Наиболее сложной проблемой является индивидуальная дозиметрия нейтронов, особенно после введения эффективной дозы в качестве нормируемой величины и новых операционных величин для ее оценки - амбиентного эквивалента дозы Я* (10) для оперативного контроля и индивидуального эквивалента дозы Нр(\0) для индивидуального контроля. В отличие от ранее измерявшейся максимальной эквивалентной дозы, последняя величина зависит не только от энергетического, но и от углового распределения внешнего излучения.

Задачи контроля характеристик индивидуального дозиметра нейтронов ИФВЭ на основе ядерной фотоэмульсии МК-20, а также исследования чувствительности перспективных индивидуальных дозиметров за защитой протонного синхротрона ИФВЭ на 70 ГэВ стимулировали разработку пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов (ПДСН) и основанной на его использовании методики калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения в терминах Нр(\0).

Другой областью исследований, результаты которых приведены в диссертации, является применение спектрометров Боннера для измерения высокоэнергетических нейтронных спектров в опорных полях ЦЕРН и на вершине горы Цугшпитце (~3000 м). Эти работы выполнены автором во время зарубежных командировок в ЦЕРН (Женева) в 1993-94 гг. и йБР (Мюнхен) в 1995-96 гг. в рамках научной программы «Радиационная безопасность воздушных полетов», финансировавшейся Европейским союзом. Актуальность этой проблемы также была обусловлена концептуальными изменениями в системе дозиметрических величин и дозовых пределов, в результате которых экипажи высотных лайнеров и часто летающие пассажиры попали в категорию профессионально облучаемого персонала.

Цель работы состояла в разработке средств измерения спектральных и дозовых характеристик нейтронов в высокоэнергетических полях излучения, установлении энергетических зависимостей чувствительности используемых детекторов, разработке современных программ восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров, а также в применении разработанных средств и методов для исследования характеристик полей нейтронов на больших протонных ускорителях и для калибровки в этих полях индивидуальных дозиметров нейтронов.

Научная новизна и практическая значимость.

Разработан и внедрен в практику дозиметрических измерений на протонном синхротроне ИФВЭ пассивный дозиметр-спектрометр нейтронов. Исследованы спектры нейтронного излучения и закономерности формирования дозы нейтронов в экспериментальном зале ускорителя. Показано, что основным источником нейтронов, в значительной степени определяющим радиационную обстановку во всем экспериментальном зале, является небольшой участок верхней защиты вблизи внутренних мишеней кольцевого зала ускорителя.

Разработанная на основе применения ПДСН методика калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов на фантомах в полях излучения с произвольным угловым распределением позволила впервые в мировой практике получить большое количество экспериментальных данных по чувствительности различных типов альбедных, трековых и комбинированных дозиметров в реальных условиях облучения персонала за защитой ускорителя. Результаты измерений подтверждают в целом теоретические предсказания, основанные на рассчитанных ранее автором функциях чувствительности детекторов.

Впервые рассчитаны энергетические зависимости чувствительности спектрометра Боннера с индиевым активационным детектором, который используется в ЦЕРН, ИФВЭ и других центрах. Полученные результаты показали, что функции чувствительности данного спектрометра сильно отличаются от рассчитанных ранее для других типов детекторов, что не позволяет использовать литературные матрицы чувствительности для этого спектрометра.

Рассчитаны функции чувствительности спектрометров Боннера с детекторами тепловых нейтронов трех типов (индиевый активационный детектор, 1л1 и 3Не-счетчики) к нейтронам с энергиями от 20 МэВ до 1,5 ГэВ, дающие возможность расширить область применения этих спектрометров на высокоэнергетические спектры за защитой ускорителей и в атмосфере. Выполнен анализ дополнительных механизмов регистрации высокоэнергетических нейтронов при использовании детекторов активного типа и оценен их вклад в чувствительность. Показано, что для детектора Ш этот вклад значителен, что требует более тщательного анализа аппаратурных спектров при вычитании фона.

Разработаны программы восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров, в том числе универсальная программа В(Ж95, превосходящая по основным характеристикам имеющиеся аналоги. Их отличительными особенностями являются оптимальный способ учета закономерностей формирования нейтронных спектров, объективность получаемого решения (независимость от пользователя) и корректный анализ неопределенностей.

С помощью различных методик установлены спектральные и дозиметрические характеристики нейтронного излучения в высокоэнергетических опорных полях ЦЕРН, предназначенных для калибровки перспективных для применения на борту авиалайнеров дозиметров. Выявлено, что имеющиеся расхождения носят систематический характер, вероятной причиной которого являются различия в методиках градуировки. Форма нейтронных спектров, измеренных спектрометрами ЦЕРН и ОБР с использованием рассчитанных автором функций чувствительности, хорошо согласуется друг с другом, а также с результатами расчета по программе ШЖА92.

Измерен спектр нейтронного излучения на вершине горы Цугшпитце (~3000 м) с помощью высокочувствительного спектрометра Боннера GSF. Полученные данные могут рассматриваться в качестве результатов базового эксперимента и уже использовались для тестирования моделей расчета формирования нейтронных спектров в атмосфере под действием космических излучений.

Автор выносит на защиту:

1. Разработку пассивного дозиметра-спектрометра нейтронов для высокоэнергетических ускорителей и основанной на его применении методики калибровки индивидуальных дозиметров нейтронов в полях рассеянного излучения с произвольным угловым распределением.

2. Результаты многолетних исследований чувствительности индивидуальных дозиметров нейтронов за защитой протонного синхротрона ИФВЭ на 70 ГэВ, явившиеся основой физического обоснования ряда новых перспективных индивидуальных дозиметров нейтронов.

3. Результаты расчетов энергетических зависимостей чувствительности спектрометров Боннера на основе индиевого активационного детектора, Lil и 3Не-счетчиков, в том числе в области высоких энергий нейтронов до 1,5 ГэВ.

4. Разработку новых программ восстановления спектров нейтронов по показаниям различных спектрометров, основанных на перспективном методе параметризации.

5. Результаты измерений нейтронных спектров и дозиметрических характеристик полей излучения за защитами ускорителей ИФВЭ и ЦЕРН, а также на вершине горы Цугшпитце (ФРГ), с помощью ПДСН и спектрометров Боннера.

Апробация работы. Диссертация написана на основе 18 работ, выполненных автором в период 1987-1997 гг. Результаты опубликованы в препринтах ИФВЭ, ОИЯИ и ЦЕРН, журналах Атомная энергия, Kernenergie, Radiat. Prot. Dosim. и Nucí. Instrum. Methods. Они также докладывались на научных семинарах Отдела радиационных исследований ИФВЭ; на семинарах подсекции «Радиационная защита и работа в условиях высоких уровней ионизирующего излучения» при Совете по проблемам ускорения заряженных частиц АН СССР; на Международных симпозиумах по физике радиационной защиты в 1987 г. (Вайнбёла, ГДР) и 1992 г. (Гауссиг, ФРГ); на Международных симпозиумах по нейтронной дозиметрии в 1992 г. (Берлин, ФРГ) и 1995 г. (Париж, Франция); на 3-м Совещании специалистов по проблемам защиты ускорителей, мишеней и облучательных установок в 1997 г. (Сендаи, Япония).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения; содержит 75 страниц текста, в том числе 45 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Санников, Александр Венедиктович

Результаты работы позволяют сформулировать следующие выводы.

• Пассивный дозиметр-спектрометр нейтронов является надежным и удобным средством измерения спектральных и дозовых характеристик полей нейтронного излучения за защитами ускорителей. Его особенности дают возможность измерения индивидуального эквивалента дозы нейтронов непосредственно на фантоме, вблизи индивидуальных дозиметров, то есть корректно учитывать как экранирующие свойства фантома, так и вклад рассеянного излучения от фантома, независимо от углового распределения внешнего излучения.

• Программы переноса низкоэнергетических нейтронов (РАЫЕиТ) и высокоэнергетических адронов (НА0110Ы), успешно применявшиеся ранее в расчетах функций чувствительности различных детекторов, дозовых характеристик адронов и т.д., показали высокую достоверность результатов и в задачах установления энергетических зависимостей чувствительности спектрометров Боннера в широком диапазоне энергий нейтронов.

• Разработанные программы восстановления нейтронных спектров по показаниям различных спектрометров превосходят существующие аналоги по основным характеристикам. Наиболее важным их преимуществом является использование физически обоснованной информации о характерных особенностях нейтронных спектров и введение ее в алгоритм решения оптимальным путем. Отметим также объективность результатов, их воспроизводимость и корректный анализ неопределенностей.

• Результаты измерений с помощью различных методик позволили установить спектральные и дозовые характеристики нейтронного излучения в высокоэнергетических опорных полях ЦЕРН, необходимые для решения задач радиационной безопасности воздушных полетов. В рамках данной проблемы выполнены также измерения космического спектра нейтронов, результаты которых подтверждают вывод о подобии нейтронных спектров в атмосфере и за бетонными защитами опорных полей ЦЕРН. Они важны также для тестирования моделей расчета транспорта высокоэнергетических адронов в атмосфере.

Благодарности

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своим коллегам по группе индивидуального радиационного контроля, внесшим неоценимый вклад в проведение экспериментальных исследований ПДСН и индивидуальных дозиметров нейтронов: А.М.Бискупчук, В.И.Белевцовой, В.А.Волковой, Е.П.Коршуновой, Т.Н.Макаровой, Н.Н.Незамаевой, И.А.Полыниной, С.В.Савенко, Е.Г.Спирову, В.В.Фуге, Л.В.Хмарук, Г.Н.Цветковой, а также Е.Н.Савицкой за большой вклад в разработку программы НАБКОИ.

Я глубоко признателен научному руководителю Владимиру Николаевичу Лебедеву за постановку задач, поддержку и постоянное внимание к работе.

Я благодарен всему коллективу Отдела радиационных исследований и особенно ведущим специалистам, чьи идеи, творческий поиск были постоянным стимулом в работе и чья помощь была важна в решении многих проблем: И.Л.Ажгирею, И.С.Байшеву, Г.И.Бритвичу, В.Т.Головачику, Г.И.Крупному, В.Н.Кустареву, В.Н.Пелешко, Я.Н.Расцветалову, А.В.Узуняну и многим другим.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Санников, Александр Венедиктович, 2006 год

1. E.Piesch. Radiat. Prot. Dosim. 10,159 (1985).

2. A.M.Biskupchuk et al. Kernenergie 30,419 (1987).

3. В.Е.Бородин и др. Препринт ИФВЭ 89-60, Серпухов, 1989.

4. A.V.Sannikov et al. IHEP Preprint 89-211, Serpukhov, 1989.

5. В.Е.Бородин и др. АЭ 69,167 (1990).

6. В.Е.Бородин и др. АЭ 69,171 (1990).

7. Т.В.Королева и др. АЭ 35, 344 (1973).

8. И.Б.Воробьев и др. АЭ 61, 35 (1986).

9. Г.А.Борисов и др. Метрология нейтронных измерений на ядерно-физических установках. М., 1976.

10. Neutron dosimetry for biology and medicine. ICRU Report 26. Washington, 1977.

11. VITAMIN-C. RSIC-DLC-41. Oak Ridge, 1977.

12. В.М.Горбачев и др. Взаимодействие излучения с тяжелыми ядрами и деление ядер. М., Атомиздат, 1976.

13. В.С.Барашенков, В.Д.Тонеев. Взаимодействие высокоэнергетических частиц и атомных ядер с ядрами. М., Атомиздат, 1972.

14. Determination of dose equivalents from external radiation sources Part 2. ICRU Report 43. Bethesda, 1988.

15. A.G.Alekseev et al. Radiat. Prot. Dosim. 14,289 (1986).

16. E.A.Belogorlov et al. Nucl. Instrum. Methods. 199, 563 (1982).

17. В.Е.Бородин и др. Препринт ИФВЭ 74-131, Серпухов, 1974.

18. J.T.Routti and J.V.Sandberg. Radiat. Prot. Dosim. 10,103 (1985).

19. Г.П.Зенин и др. Препринт ИФВЭ 87-177, Серпухов, 1987.

20. W.N.McElroy et al. Report AFWL-TR-67-41. New Mexico, 1967.

21. Г.И.Бритвич и др. Препринт ИФВЭ 90-48, Протвино, 1990.

22. H.Ing and S.Makra. Compendium of neutron spectra in criticality accident dosimetry. STI/DOC/10/180. IAEA, Vienna, 1978.

23. Е.А.Белогорлов и др. Препринт ИФВЭ 85-148, Серпухов, 1985.

24. H.W.Patterson et al. Health Physics 20,517 (1971).

25. В.Е.Алейников и др. Препринт ОИЯИ Р16-9870. Дубна, 1976.

26. А.Н.Калиновский и др. Прохождение высокоэнергетических частиц через вещество. М., Энергоатомиздат, 1985.

27. Е.К.Гельфанд и др. Препринт ОИЯИ Р16-12551. Дубна, 1979.

28. А.И.Абросимов и др. Препринт ОИЯИ Р16-93-37. Дубна, 1993.

29. А.В.Санников. Препринт ИФВЭ 90-133, Протвино, 1990.

30. A.V.Sannikov. Radiat. Prot. Dosim. 44, 277 (1992).

31. В.Н.Лебедев, А.В.Санников. Препринт ИФВЭ 86-1, Серпухов, 1986.

32. А.И.Непомнящих и др. АЭ 58, 257 (1985).

33. А.В.Санников и др. Препринт ИФВЭ 2005-6, Протвино, 2005.

34. A.Aroua et al. CERN/TIS-RP/TM/93-46. Geneva, 1993.

35. M.Hofert and G.R.Stevenson. CERN/TIS-RP/94-02/CF. Geneva, 1994.37.1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 60. Oxford, 1991.

36. A.W.Kunz et al. Nucl. Instrum. Methods A299,696 (1990).

37. Health Physics Instruments Model REM-500 Neutron Survey Meter. Operations and repair manual. 1993.

38. A.Carlsson et al. CERN/TIS-RP/TM/93-32. Geneva, 1993.

39. J.Liu and A.V.Sannikov. CERN/TIS-RP/TM/93-50. Geneva, 1993.

40. В.Т.Головачик и др. Дозовые характеристики нейтронов с энергией от тепловой до 20 МэВ и протонов с энергией от 2 до 600 МэВ. Труды 10-го Совещания по ускорителям заряженных частиц, с. 411. Дубна, 1987.

41. Ю.А.Медведев и др. Ядерно-физические данные по взаимодействию нейтронов с элементами воздуха и земной коры. М., Энергоиздат, 1981.

42. В.Ф.Турчин. Медленные нейтроны. М., Госатомиздат, 1963.

43. В.Т.Головачик и др. Препринт ИФВЭ 89-61, Серпухов, 1989.

44. S.F.Mughabghab et al. Neutron cross sections. Volume 1: Neutron resonance parameters and thermal cross sections. New York, Academic Press, 1981.

45. V.McLane et al. Neutron cross sections. Volume 2: Neutron cross section curves. New York, Academic Press, 1988.

46. D.Garber (ed.). ENDF/B-V. Report BNL-17541 (ENDF-201). NNDC, BNL, 1975.

47. V.Mares et al. Nucl. Instrum. Methods A307, 398 (1991).

48. H.L.Zaborowski. Le systeme multisphere de dosimetric et spectrometrie neutron. Etudes d'applications a la radioprotection. Symposium International sur l'utilization du californium-252. Paris, 1976.

49. A.V.Sannikov. CERN/TIS-RP/IR/94-16. Geneva, 1994.

50. Current status of neutron spectrum unfolding. IAEA-TECDOC-221. IAEA, Vienna, 1979.

51. A.V.Alevra et al. Unfolding Bonner-sphere data: a European intercomparison of computer codes. PTB-7.22-90-1, Braunschweig, 1990.

52. Z.Prouza et al. Radiat. Prot. Dosim. 37, 241 (1991).

53. F.G.Perey. Report ORNL/TM-6062, Oak-Ridge, 1977.

54. J.T.Routti and J.V.Sandberg. Comput. Phys. Commun. 21, 119 (1980).

55. Ю.П.Пытьев. Математическая коллекция 120, 240 (1983).

56. A.Aroua et al. Nucl. Instrum. Methods A321, 298 (1992).

57. S.Roesler and G.R.Stevenson. CERN/TIS-RP/IR/93-47. Geneva, 1993.

58. H.Dinter and K.Tesch. Radiat. Prot. Dosim. 42, 5 (1992).

59. R.S.Sanna. USAEC, HASL-267,1973.

60. В.П.Крючков, Г.И.Семенова. Препринт ИФВЭ 87-191, Серпухов, 1987.

61. V.Mares and H.Schraube. Nucl. Instrum. Methods A337,461 (1994).

62. R.G.Alsmiller and J.Barish. ORNL/TM-9801, Oak Ridge, 1986.

63. J.Liu et al. CERN/TIS-RP/IR/94-17. Geneva, 1994.

64. A.Aroua et al. CERN/TIS-RP/IR/93-45. Geneva, 1993.

65. M.Hofert et al. CERN/TIS-RP/IR/94-13. Geneva, 1994.

66. A.Aroua et al. CERN/TIS-RP/IR/94-12. Geneva, 1994.69 .Radiation exposure of civil aircrew. Proc. Workshop, Luxembourg, 1991. Radiat. Prot. Dosim. 48 (1993).

67. J.F.Briesmeister (Ed.). LA-12625-M, Los Alamos, 1993.

68. R.E.Prael and H.Lichtenstein. LA-UR-89-3014, Los Alamos, 1989.

69. E.N.Savitskaya and A.V.Sannikov. Radiat. Prot. Dosim. 60,135 (1995).

70. A.V.Sannikov and E.N.Savitskaya. Radiat. Prot. Dosim. 70, 383 (1997).

71. P.G.Young et al. LA-11753-MS, Los Alamos, 1990.

72. J.S.Hendricks et al. LA-12891, Los Alamos, 1994.

73. M.M.Meier et al. LA-11518-MS, Los Alamos, 1989.

74. M.M.Meier et al. LA-11656-MS, Los Alamos, 1989.

75. V.Mares and H.Schraube. Nucl. Instrum. Methods A366,203 (1995).

76. H.H.Hsu et al. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-41, 938 (1994).

77. A.V.Alevra et al. The PTB Bonner sphere contribution to the My 1993 CERN-CEC Experiment (H6J93). PTB draft report, Braunschweig, 1994.

78. H.Schraube et al. Radiat. Prot. Dosim. 70,405 (1997).