автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Создание и исследование полей нейронов для градуировки измерителей поглощенной и эквивалетной дозы нейтронного излучения

всесоюзный ордена типового крдаюго знлшш НАУЧНО-ИСОЛВДОЙАГЕЛЬСКИР институт эдзжо-тшшских И радиотехнических ИЗМЕРЕНИЯ

На правах рукописи

НУНШБДЕВ.КУБЕЙСИН

СОЗДАНИЕ И ИССЩОВАНИЗ ПОЛЕЙ НЕЙТРОНОВ ДНЯ ГРАДУИРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПОГЛОЩЕННОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ НЕЙТРОННОГО ИаЧУЧЕНИЯ

05.11,10 - Приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степзни кандидвта технических наук

Москва - 1990

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений. Научные руководители:

доктор технических наук,

профессор

Брегадэе Ю.И.,

кандидат 'технических наук,

старший научный сотрудник

Масляев П.Ш.

Официальные оппоненты:

доктор фиэико-матемагичеокйх наук,

профессор

Цыпин С.Г.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Яиоеский А.П.

Ведущее предприятие - Московский инженерно-физический институт.

заседании Специализированного совета К.041,02.02 Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений.

Специалистов Вашего предприятия приглашаем принять участие в заселении совета. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать йо адресу: 141570 п/о Менделеево Солнечногорского района Московской области.

С диссертацией и еж?! о ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан: "Ц " г.

Ученый секретарь Специализированного .совета К.041;02.02 доктор технических наук,

Защита состоится

. профессор

В.В.Генералова

А_ зо ты

ШЦАЯ

)БЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Наиболее широко используемыми на практике дозиметрическими величинами для нейтронного излучения являются поглощенная и эквивалентная доза и их мощности. Одним из важных вопросов в проблеме метрологического обеспечения измерения этих величин является вопрос об исключении или уменьшении влияния энергетической зависимости чувствительности средств измерений на погрешность измерений.

Следует подчеркнуть два аспекта этого вопроса :

1) уменьшение погрешности при воспроизведений размера единиц этих величин ;

2) уменьшение погрешности при передаче размера единиц и в практических измерениях.

Что касается первого аспекта, при воспроизведении размера единиц используется ионизационный метод, и в этом случае погрешность измерения поглощенной дозы в первую очередь зависит от погрешностей средней энергии новообразования И керма,. а. погрешность измерения эквивалентной зависит еще йт погрешности коэффициента качества. Поэтому необходимо, с одной стороны, уточнить зависимость основных влияющих величин, средней энергии новообразования, керма и коэффициента качества, от энергии нейтронов,.с другой стороны, Шлеть более подробную инфйрмацию о полях, в которых воспроизводится размер единиц.

Важность второго аспекта связана с тем, что рабочие средства измерения имеют существенную зависимость чувствительности от энергии нейтронов, достигающую сотен процентов, поэтому для уменьшения погрешности целесообразно создавать образцовые поля нейтронов с энергетическими спектрами, близкими к имеющим место на

практике. Как показывав! анализ, спектры нейтронного излучения источников, применяемых в настоящее время для передачи размера единиц дозиметрических величин нейтронного излучения, существенно отличаются от спектров нейтронов в рабочих помещениях основных ядерно-физических установок (ЯШУ), где в основном используются измерители/

Б связи с этим является актуальной проблема создания н Исследования образцовых полей нейтронного излучения со спектрами, близкими к спектрам нейтронов в рабочих помещениях основных ЯФУ.

Цель работы

Целью настоящей работы является создание и исследование полей нейтронов для градуировки измерителей дозиметрических величин нейтронного излучения.

Задача решается следующим образом :

1. Проводится моделирование и исследование полей нейтронов, имеющих спектры, близкие к спектрам, имеющим место на практике при измерении дозиметрических величин для нейтронного излучения.

2. Проводится анализ значений величин, используемых при определении дозиметрических характеристик нейтронных полей, и производится их уточнение для моделируемых типичных спектров нейтронов.

Научная новизна.

1. Впервые разработаны модификаторы спектра из различных материалов, которые в составе серийно выпускающихся установок с кол-

.лимированным пучком нейтронов (типа УКПН) позволяют моделировать поля нейтронов со спентраш,-близкими к типичным спектрам нейтронов, наиболее часто встречающихся на практике.

2. Разработаны комбинированное сферические замедлители из полиэтилена и алюминия, также используемые для моделирования неит-

ронных полей.

3. Предложены функции зависимости средней энергии ионообраэо-вания протонов и заряженных частиц от их энергии для этилена к аргона, полученные путем анализа и компиляции экспериментальных данннх.

4. Впервые определена функций зависимости коэффициента качества, (2. , от. линейной энергии, используя санкции зависимости (2

от линейкой передачи энергии (ЛПЭ).

5. Рассчитана матрица чувствительности шогосфврюго спектрометра с учетом реальной формы детектора тепловых Нейтронов.

Практическая значимость -

Результаты диссертационной работы позволили создать комплекс образцовых полей нейтронного излучения для градуировки измерителей дозиметрических характеристик нейтронов, обеспечив возможность для повышений достоверности результатов измерения поглощенной и эквивалентной доз нейтронов, И получение новых данных по значениям величин, используемых при определении эквивалентной дозы нейтронного излучения.

Результаты работы также могут быть использованы в испытанных измерителей различных характер»стин. нейтронного излучения.

Получанные результаты нашли применение на Государственном первичном эталоне мощности поглощенной и эквивалентной дозы нейтронного излучения для создания комплекса образцовых полей нейтронов и при разработке методики выполнения измерений МИ 2044-69.

К защите представлены следующие тезисы 8

I. Погрешность измерения дозиметрических характеристик нейтронного излучения, обусловленная энергетической зависимостью чувствительности средств измерений, может быть уменьшена созданием образцовых полей нейтронов с энергетическими спектрами" близкими

к спектрам в реальных: условиях измерения.

2. Модификаторы спектра из тяжелой воды и алюминия, пршенен--ныв в установке УКПН, и комбинированные замедлители из алкминия и полиэтилена позволяю? моделировать шля нейтронов со спектрами, близкими к типичным спектрам в рабочих помещениях основных ядерно-физических установок.

3. Предложенные функции зависимости средней энергии ионообразо-.вания протонов и заряженных частиц в этилене и аргоне позволяют уменьшить составляющую погрешности определения поглощенной и эквивалентной дозы нейтронов, связанную с неопределенностью средней энергии новообразования нейтронов.

4. Применяемая при определении коэффициента качества сложная процедура восстановления распределения дозы по ЛЛЭ вносит дополнительную погрешность в конечный результат. Предложенный метод определения функции зависимости коэффициента качества, <2 , от линейной энергии используя функцию зависимости О. от ЛПЭ, позволяет уменьшить эту методическую погрешность и упростить процесс определения коэффициента качества.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на 111 совещании по метрологии нейтронного излучения на реакторах и ускорителях С п.Менделееве, 1982 г.), на 1У Всесоюзном совещании по шкродоэиметрии (Усть-Нар-ва, 1983 г.). Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ. Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 79 страницах, включая 19 рисунков, 21 таблиц

и библиографию из 44 наименований. Содешаше работы

Во введении отмечается актуальность проблемы, сфоргчиу лире ваш цель диссертации и положения, защищаемые автором.

В первой главе проведен анализ проблемы практического применения величины "эквивалентная доза", В связи с тем, что эта величина является функцией положения точки в облучаемом объекте, погрешность ее измерения я интерпретация результатов измерения зависит от условиР. воспроизведения и передачи размера единицы эквивалентной дозы. Рассматриваются введенные в разное время различными национальными и международными компенентныки комиссиями такие веди- . чины ка'с, показатель эквивалентной дозы, ограниченный показатель эквивалентной дозы, имбиентная эквивалентная доза и половая эквивалентная доза.

. Долее в этой главе рассматривелотся величины, используемые при определении эквивалентной дозы нейтронного излучения, такчо как поглощенная доза нейтронного излучения, керма нейтронов, средняя энергия ионообразования и коэффициент качества нейтронов.

Отмечено, что значения керма длп моноэнергетических нейтронов хорошо известны, и для практического применения значений керма необходимо лимь знание спектра поля нейтронов, где проводится из- ■ мереше,

В, связи с публикациями новых Експзриментальньк и расчетных, данной по значениям средних энергий ионообразования для протонов и тяжелых заряженных частиц в 1'азах, появилась возможность уточнения ныне применяемых значений средней энергии ценообразования в газах.

При рассмотрении коэффициента качества нейтронов отмечается целесообразность определения этой величины на основе зависимости

коэффициента качества от линейной энергии, т.р. практическое применение линейноП энергии как характеристики коэффициента качества имеет ряд преимуществ по сравнению с ЛПЭ.

Во второй главе рассматривается проблема моделирования шлей нейтронного излучения, наиболее часто встречающихся в реальных условиях измерения.

В начале главы дало описание метода расчета спектра нейтронов на установке с коллкмировйшым пучком нейтронов типа УКГЗН. Для определения спектра нейтронов из коллиматора УКПН необходимо решить стационарное кинетическое уравнение Больцмана - уравнение переноса излучения, которое описывает баланс частиц в элементе шестимерного фазового пространства координат и импульсов :

Ф{Г, X(Г, £ J<р1Г, £,И) = л10Ф') + ? ^ £Д)

где - число частиц движущихся в телесном угле

Л - Л + с1& с анергией Е - Е+с/ь; КГ^Е)- сечение взаимодействия, а (г, е''£Д-гй1 сечение рассеяния в точках Г, Е и

Е,2)- функция источника. Решение данного уравнения для такой сложной геометрии как геометрия контеГшера-колликатора установки типа УГОН (Рис.1) определялось методом Монте-Карло. История нейтрона прослеживается до того момента, когда нейтрон доглйдается веществом или покидает пределы ингерссуащеИ области. Если детектор расположен вне этой области, то при вылете нейтрона из нее проверяется попал ли он детектор. В расчете детектор принимался как точечный, и в расчете был применен метод вычисления локального потока. Поток рассекших нейтронов фз в точке Г* равен :

^ (Н'к £*) = Г1£е<р К в')/ь\ ,г..<;Ь1),

где Ы - математическое ожидание ; fl^lJ£í-lJ:¿í■t>í\i■") - функция рассеяния, т.е. вероятность для нейтрона, рассеивающегося в точке

РиаЛ.КонтеЙиер-коллкматор -I, модификатор спектра -2, источник, Э - детектор.

Рис.'2. Спектры нейтронов: I - С] , 2- установки типа УШИ I с источником модификаторм спектра из высотой 7 см, I 3 - ил алюминия высотой 5 см.

Г и имеющего до рассеяния направление движения и энергию изменить после рассеяния направление и анергию в интервале*^ и de околей", и Е*, соответственно ;Т( £") - оптическое

расстояние между точками lî-j и Г* для нейтрона с энергией Б*;

Slf(r*~ , а^-дельта-функция Дирака.

В расчетах применялась модификация метода вычисления локального потока состоящая в том, что разыгрывается служки дам образом элемент, на котором происходит рассеяния, а также тип этого рассеяния, и затем рассчитывается функция рассеяния,

Расчеты спектра нейтронов проведены для контейнера-коллиматора установки типа УКШ из полиэтилена с о% по весу содержанием естественного бора, а такха для такого же коллиматора с модификатора',и спектра., представляющими собой усеченные конусы разных высот из тянелок воды и алшнния. Некоторые из полученных спектром показаны на рисунке 2,

Рассчитаны также спектры нейтронов утечки иа комбинированных сфер изготовленных из алюминия и полиэтилена. Показано, что для моделирования нейтронов, существующих в рабочих помещениях ядерно-физических установок, ыогут быть испо^ьаовшш полиэшлено-асо-ыиниевые сферы. В таблице I приведены средние энергии нееоторих типичных спектров нейтронов в рабочих помещениях осшадых ядерно-физических установок и некоторых из моделированных в данной работе спектров .*

Таблица I

cneitruf-j I ; 2 1 3 1 4 1 5 j б i 7 ) 8 ! 9

Ecp.Lfaa То,71 1.0.60 !I,37 !0,84 ! 0,75 II,88 10,99 10,95 10,79

где, I - спектр реактора НР£3 за защитой из 20 см бетона ;

2 - спектр на расстоянии 6,8 ы от зоны реактора ;

3 - спектр реактора HPRR ;

4 - спектр в канале ВЭН-4 реактора HP-IC0 ;

5 - спектр на расстоянии 68,5 ы oí зош реактора ИБР-30 ;

6 - спектр установки типа УШШ с источником С у ;

7 - спектр установи! типа УШШ с источником ^^Cjii модификато-

ром спектра из тяжелой води высотой 7 см ¡

ОКО

8 - спектр установки типа УКШ с источником С/ и модифика-

тором спектра из алюминия высотой 7 см ;

9 - спектр нейтронов утечки из комбинированной сферы из поли-

этилена и алюминия - Й1~н = 3 см, Кал. » 15 см ,

Завершается вторая глава обсуждением результатов моделирования полей нейтронов, существующих в реальных условиях измерения эквивалентной дозы нейтронов.

Третья глава посвящена анализу и уточнению значений величин, используемых npi определении поглощенной и эквивалентной доз и воспроизведении размера единица этих величин. Основное внимание уделено следующим величинам; керма, средняя новообразования и коэффициент качества,

Средняя энергия новообразования нейтронов определяется как :

п) (3)

Г Г

где К,-(f ^-энергия вторичных заряженных частиц типа f* , а

Л/'г (С) - число' пар ионов, образованных этими частицами, определяемое по соотношению : ргп<.*

А/ /г \ ' [J2zl££Aäd£ о

где спектр вторичных заряженных частиц типа Г , произ-

веденных единичным потопом нейтронов с энергией En в единичной массе raaa, a Wrfe)- средняя энергия ценообразования для частиц Г -го типа. Спектр |)r(t, £ и) определяется исходя из сечьния и кинематики шаиыодействия нейтронов с ядрами газа. Анализ экспо-

мшэиталышх данных по средней анергии новообразования для протонов и заряженных частиц позволил представить (е) следующим образом :

для этилена :

частица функция энергия, кэВ

Р = 26,94/(£п Е)2+27,59 3,5 < Е 4 20

ъг = 32,2 - 0,0805'Е 20 < Е 4 40

V » 29 40 < Е 4270

V- = 32,18-0,57 ¿п Е 270 < Е < 1900

V = 27,88 1900 < Е<14000

С V =13,17+42,75//|п Е-2,48,-8,98/( ¿£-2,48) 14 < Е ^20

V = 44,5-1,7 Е 20 < Е 6000

длч аргона :

частица функция энергия, кэВ

А Г V - 151,86-20 £п Е 38 < Е <.100

V = 10?,9-11,4 2п Е 100 < Е<500

• У= 51,5-1,99 £п Е 500 < Е<3000

Средние энергии ценообразования двадцати типичных спектров нейтронов рассчитаны для обычно используемых в ионизационных камерах газов: воздуха, аргона, -этилена, углекислого и тканеэквивалентно-го газов. Приводятся таюте рассчитанные значения отношений керма в этих газах к керма в ткаки для тех же спектров.

Определение коэффициента качества нейтронов обычно связано со сложной процедурой восстановления распределения дозы по Ш1Э , 3)^), из аппаратурного спектра сферического пропорционального счетчика. Если заменить ДПЭ как характеристику коэффициента качества линейной энергией, У , то распределение дозы по линейной энергии, ,

необходимое для расчета коэффициента качества, можно непосредственно измерять, эункцию зависимости коэффициента качества от У ,

можно получить из функции зависимости коэффициента качества от ЛПЭ, Q(L), путем решения следующего интегрального урав-

/ VMr&i/dy Q(0= --рг,---;—

нения

7T7CI* I

I ¡ÍWdy

где Упмаксимальная линейная анергия равная 3/./2 ; J) ~ зависимость коэффициента качества от линейной энергии ; Q,(l) -зависимость коэффициента качества от ЛПЭ, Для спектра энерговыделения вторичных заряженных частиц с ЛПЭ равной L в сферической

полости, -f(y) > принято следующее условие : Утих

J j-ÍV)cly = i

Функция зависимости коэффициента качества от У , по-

лученная при решении (4) душ Q(í) , принятой Национальной комиссией по радиационной заддате (НКРЗ) СССР, приведена на рисунке 3, где такие приводятся функция зависимости § ft) - НКРЗ и функция C¡!(y) , предложенная в докладе № 40 ШРЕ.

Расчет коэффициента качества ыоноонергетических нейтронов,проведенный для сферы диаметром I мкм с тканеэквивалентным газом,основывался ira следующем col гношении :

Q (е Л - (ёп)

м J s.

т ' г 1

где Мл!|Г (Е^ , T)mr(£r, ) - эквивалентная и поглощенная доза от вторичных заряженных частиц типа Г , образоБг-чшых в реакции типа Vn нейтронов с ядрами вещества ; ^ (с»)- макроскопическое сечение реакции типа hi , Эквивалентная и поглощенная доза ynrÍEr), Ib m jh(En) определяется следующим образом :

D,

Таблица 2. Коэффициент качества нейтронов рассчитанные с использованием: I - <1<у) , 2 - .

Е, кзВ I 2

<0.01 13.0 20

б 4.5 1.4

10 6.4 2.3

50 И.З II.I

100 14.7' Г/.З

200 16.0 22.4

300 15.2 23.4

500 14.4 22.4

1000 12.6 19.3

2000 5.6 14.Э

3000 8.5 12.3

5000 6.9 9.5

8000 5.5 7.6

10000 4.9 6.5

12000 4.5 5.3

14000 4.3 4.8

где К'т,г(Ет, ,Е) - спектр вторичных зардаешшх частиц типа Г , образованных в реакции типа ^ ; ^(е),(е_)- эквивалентная и поглощенная доза от частиц типа 1г с энергией Е. Рассчитанные значения коэффициента качества моноэнергетических нейтронов приводятся в таблице 2.

Четвертая глава посвящена проблеме практического применения многосферного метода для спектрометрии нейтронов и измерения эквивалентной дозы, а также уточнению значения величин, используемых в этом методе.

В многосферном методе спектрометрии для получения информации о спектре нейтронов используются скорости счета детектора тепловых нейтронов (ДТП), размещенного в центре сферических, обычно полиэтиленовых, замедлителей разных диаметров. Если имеется Г замедлителей, уравнение Фредгольма для определения спектра, ^-Гь), записывается следующим образом:

А) Ы - Я,- (Е) с/к г ( У= г) (5)

й

где А/] - скорость счета с ]-м замедлителем, - зависи-

мость чувствительности детектора с _/-/ч замедлителем от энергии нейтронов. Для восстановления спектра, т.е. решения системы линейных уравнений (5) относительно - дифференциальной плотности потока нейтронов ¿ -ой энергетической группы, необходимо знание матрицы чувствительности спектрометра,

. Глава начинается с анализа литературных данных по матрице чувствительности спектрометра. Отмечено, что имеющиеся в литературе данные по матрице чувствительности не всегда применимы на практике из-за различных плотностей используемого в спектрометрах'полиэтилена и из-за топ?, что оти данные получены для определенной геометрии ДТН, когда детектор может рассматриваться как сферически!:. Проведены расчеты матрицы чувствительности спектрометра с

детектором 5 размерами 25x1 мм о учетом реальной формы Д1Н. Рассчитанная методом Монте-Карло матрица чувствительности Использована при восстановлении спектров источников -252 и 238-/}, Бе в открытой геометрии и в установке УКПН. Отмечается, что разница таких характеристик как средняя энергия, поглощенная и эквивалентная дозы восстановленных спектров и тех же величин истинных или расчетных спектров достигает 3,5 % из-за погрешностей расчете, матрицы чувствительности, погрешностей метода восстановления спектров и погрешностей измерения скоростей счета.

В заключении изложены основные результаты работы :

- разработаны модификаторы спектра из тяжелой воды и алюминия, применяемые в составе установки типа УКПН, и комбинированные сферические замедлители из алюминия и полиэтилена для моделирования полей нейтронов со спектрами, близкими к спектрам в реальных условиях проведения измерений дозиметрических величин для нейтронов ;

- предложены функции зависимости средней энергии ионообразо- . ванин протонов и заряженных частиц для аргона и этилена и рассчитаны эффективные средние энергии новообразования нейтронов в тка-неэквивалентном, углекислом газах, этилене, аргоне и воздухе для типичных спектров нейтронов;

- разработана методика определения функции зависимости коэффициента качества от линейной энергии, используя функцию зависимости коэффициента качества от ЛПЭ, рассчитан коэффициент качества нейтронов, исходя из распределений линейной энергий в тка-неэквивалентной сфере диаметром I мкм;

- разработан метод расчета матрицы чувствительности многосфер-ного спектрометра с учетом реальной формы детектора тепловых нейтронов (ДТН) и рассчитана матрица чувствительности многосфер-

ного спектрометра с ДТН ¿7i5(й)размерами 25x1 мм;

Результаты моделирования полей нейтронов использованы при создании образцовых полей нейтронов для воспроизведения и передачи размера единиц дозиметрических величин для нейтронов.

Результаты расчетов отношений керла для различных веществ, средних энергии ценообразования для газов, применяемых в ионизационным методе дозиметрий нейтронов, использоевны при разработка рекомендаций МИ 2044-69 "Дозиметрия нейтронов. Методика выполнения измерений ионизационным методом",

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Зависимость чувствительности многошарового спектрометра от энергии нейтронов. /Масляев, П.К.Нурлыбаев. - Методы и аппаратура для точных Измерений параметров ионизирующих излучений. Труды ВНИШТРИ, М., 1961, с. 13.

2. К вопросу о погрешности измерения коэффициента качества нейтронов счетчиком Росси.Д).И.Брегадзе, П.Е.Масляев, А.В.Марченко, К.Нурлыбаев. - Методы и аппаратура для точных измере-паршетров ионизирующих излучений. Труды ВЩВДГРИ, М., 1981, с.З.

3. Определение энергетической зависимости чувствительности многошарового спектрометра. /П.ЗД'асляев, К.Нурлыбаев. - В кн.: Материалы III Всесоюзного совещания по метрологии нейтронного Излучения на реакторах и ускорителях. М., 1982.

4.' Определение распределения дозы по ЛПЭ с учетом реальной формы линии спектрометра ./Г!. 2 .Масляе в, К.Нурлыбаев. - Метода и аппаратура для точных измерений параметров ионизирующих излучений. Труды ШИШРИ, М., 1987, с.36.

5. с? Z«**1»- А

/' у I J&s Л'иЛ&е* - /Р«./«^* ,

-Tbot.^J.y, v.JS, Г/Ш) U-r

JK8L13 Подписано а печать 5 .-У [.90 г. U fi

Объем ö,75 уч.-изд.л. Тиран 100 экз. Полиграфу час то к НПО "В НИМ ОТРИ". Sau.