Научно-технические исследования на нейтронном генератора НГ-150 в Институте

Научно-технические исследования на
нейтронном генератора НГ-150 в Институте
Ядерной Физики Академии Наук Республики
Узбекистан
С.В. Артёмов1#, А.Г. Бажажин2*, О.Ш. Жураев1,
А.А. Караходжаев1
1Лаборатория
Ядерных Реакций, Институт Ядерной Физики
Академии Наук Республики Узбекистан (г. Ташкент)
#artemov@inp.uz;
2Сектор №1 Трековых детекторов, отделение №3 Физики
адронов НЭОМД(MPD),
Лаборатория Физики Высоких Энергий ОИЯИ (г. Дубна)
*bajajin@jinr.ru.
1
Описание нейтронного генератора НГ-150
Нейтронный генератор НГ-150 (Рис.1 а), б)) разработки НИИЭФА (Санкт-Петербург) представляет собой
ускоритель типа Кокрофта-Уолтона, который при взаимодействии ускоренных до ~150 кэВ ионов дейтерия с
твёрдой тритиевой мишенью (TiT1.5-1.8) генерирует нейтроны с энергией ~14 МэВ и выходом до 1011 н/с в 4π при
монохроматичности не хуже 100 кэВ FWHM (реакция T(d,n)4He).
При замене тритиевой мишени на дейтериевую по реакции D(d,n)3He генерируются нейтроны с энергией
около 2.5 МэВ при выходе нейтронов ~ на два порядка ниже, чем в первой реакции.
Поток нейтронов мониторируется
по
3
интенсивности сигналов от He-содержащего
счетчика
Гейгера,
установленного вблизи
тритиевой мишени нейтронного генератора.
а)
d+D→3He+n, En~2.5 MeV
d+T→4He+n, En~14 MeV
Твёрдотельная TiD или TiT
мишень
На рис. 2 показан
вид входного
окна стальной
камеры со
стороны входа
нейтронного
потока.
Основные технические данные НГ-150:






Максимальный поток нейтронов 2•1010
б)
н/сек.
Номинальная энергия ускоренных ионов
150 кэВ.
Пределы регулировки энергии ионов 50150 кэВ.
Ток пучка ионов на мишени до 3 мА.
Диаметр пучка на мишени в номинальном
режиме 10-30 мм.
Рис.1 а), б). Нейтронный генератор НГ-150
Режим работы непрерывный.
2
ИЯФ АН РУз (г. Ташкент, Узбекистан).
Рис. 2. Реконструированное
входное окно стальной
камеры реакции. Справа –
мишенное устройство
нейтронного генератора.
Не деструктивный метод измерения профиля концентрации легчайших
элементов
(NERD - Neutron-induced Elastic Recoil Detection)
Методика
определения
профиля
концентрации
легчайших элементов (водорода и гелия) и их изотопов в
приповерхностных слоях различных материалов путем
измерения энергетических спектров ядер отдачи при
облучении быстрыми нейтронами с идентификацией ядра
отдачи ∆Е─Е (Рис.6 а, б) и ∆Е1─∆Е2─Е (Рис.6 в) –
детектирующими методами.
а
б
Рис.3. Установка NERD метода на базе НГ-150
ΔE1
ΔE2
ΔE
Рис.4. Общий вид низкофоновой камеры
(слева) и крепление основных узлов на
фланце.
3
Рис.5. ∆E-E телескоп
полупроводниковых
детекторов.
в
Рис.6. Принципиальная схема анализа методом NERD.
Результаты анализа с помощью метода NERD
Для проверки качества идентификации сорта частиц и глубинного разрешения были изготовлены
различные образцы, включающие в себя наборы пленок дейтерированного полиэтилена СD2 и обычного
полиэтилена CH2 различных толщин от 20 до 100 мкм (содержание атомов водорода от 1.6×1020 до 8×1020
ат.Н/см2), разделенных алюминиевыми фольгами, а также образец титана толщиной ~ 2 мкм, насыщенного
тритием, на Al подложке.
Рис.7. Схема анализа водорода
в созданных материалах аналогичных
материалам ядерных технологий
Рис.8. Двумерная матрица
событий от сложной мишени.
Следующий этап анализа (после завершения экспозиции)
заключается в обработке матрицы. Каждая группа частиц
переводится в энергетический спектр – см. рис. 10.
Рис.10. Энергетические спектры протонов, дейтронов и тритонов
Рис.9. Трехмерное представление
набранных событий.
Затем энергетический спектр пересчитывается в
глубинный спектр – в зависимость количества
водорода от глубины залегания.
Рис.11. Глубинные профили концентрации водорода,
дейтерия и трития (слева на право).
Из рисунка 11 видно, что водород внутри образца находится по всей толщине на глубинах вплоть до 1800 мкм.
Дейтерий в образце находится слоями на глубинах до ~800 мкм. Тритий в образце находится в приповерхностной области на глубинах не более ~30 мкм.
4
Метод нейтронно-активационного анализа на быстрых нейтронах
с энергией 14 МэВ (AAFN - Activation Analysis on Fast Neutrons)
Метод основан на использовании пороговых ядерных реакций (n,p), (n,d) и (n,2n) с
последующим временным и амплитудным анализом γ-спектров от активированных проб.
Наведенная активность изотопов определялась относительным методом. В этом случае масса
определяемого элемента в образце вычисляется по формуле:
N этал.
14N(n,2n)13N
Mx 
N образ.
 М этал. ,
где Nобраз. – число отсчетов в пике полного поглощения в
исследуемом образце для конкретной гамма – линии,
Nэтал. – то же для эталонного образца,
Mэтал. – масса эталонного образца, грамм.
28Si(n,p)28Al
29Al
55
40K Mn(n,α)
29Si(n,p)29Al
30Si(n,α)27Mg
Отсчёт
13N (14N)
Исследуемые кристаллы алмаза на содержание
легких элементов примесей и эталонные
образцы облучались одновременно потоком
быстрых нейтронов с интенсивностью  1010
64
нейтрон/с. и с энергией 14 МэВ. Время
облучения ~ нескольких периодов полураспада
32
определяемого радиоактивного изотопа: для
13N – 30 мин., для Si - около 10 мин, а для Мn –
10 мин.
0
1500 Энергия, кэВ
500
1000
Регистрация наведенной
Рис.12. Спектр γ-излучения технических алмазов партии №2.
радиоактивности осуществлялась
полупроводниковым HP-Gе
Содержание элементов в образцах алмазов партии №2
детектором с эффективностью 25%
28Si+29Si+30Si
55Mn
13N+14N
Масса
(фирма СANBERRA).
10-3 грамм
m, грамм
%
m, грамм
%
m, грамм
%
Энергетическое разрешение гамма –
-3
спектрометра на линии 1332 кэВ
0,16∙10
3,80±1,33
4,2
0,32∙10-3 7,61±1,90
0,16∙10-3
5,0±1,5
-3
0,18∙10
4,00±1,33
равно 1,8 кэВ.
96
Табл.1. Содержание примесей элементов в образцах технических алмазов партии №2.
5
Метод регистрации «мгновенного» γ-излучения ядерных реакций
(PIGE - Particle Induced Gamma-ray Emission)
В тех случаях, когда периоды полураспада
активируемых для анализа радиоизотопов
малы, и транспортировка облучённого
образца в позицию измерений невозможна,
содержание
элементов
определяется
методом PIGE, при этом измеряются
спектры
γ-квантов
от
пробы
непосредственно в процессе её облучения
потоком быстрых нейтронов.
Рис.13. PIGE спектр образца мумиё
Табл.2. Элементный состав образца мумиё.
Элемент
Содержание,
% масс
Элемент
Содержание,
% масс
Элемент
Содержание,
% масс
С
582
K
60
Zn
0.18
О
250
Ca
27
Se
<0.004
Mg
33
Mn
0.0066
Br
0.012
S
18
Fe
0.048
Sr
0.042
Cl
26
Cu
0.13
6
Метод определения толщины чувствительного слоя и
энергетического разрешения полупроводниковых кремниевых
детекторов заряженных частиц используя поток нейтронов
Данный метод предполагает наличие “реперных” детекторов с известными характеристиками.
Генерируемые монохроматические n имеют энергию (~14 МэВ), достаточную, чтобы на основном изотопе кремния
28Si в чувствительной области детектора, облучаемого потоком нейтронов, интенсивно шли реакции 28Si(n, p)28Al и
28Si(n, α)25Mg.
Высокоэнергетическая часть спектра образующихся частиц имеет линейчатый характер с четким разделением пиков.
Количество событий в пиках, соответствующих образованию 25Mg, при одинаковых условиях облучения
определяется объемом детектора.
Обычное время экспозиции составляло ~10 мин при потоке n
5⋅1010 с–1 в угол 4π и расстоянии до источника (нейтронной
б
а
мишени) порядка 50 см.
В крайнем правом пике (соответствующем реакции
28Si(n,α)25Mg
осн.сост.) спектра на рис.14а количество импульсов в
1.4 раза больше, чем в соответствующем пике спектра на
рис.14б. Во столько же раз различаются объемы детекторов.
Толщина чувствительной области при этом определяется
выражением W = kSα /(Nd),
где Sα – число событий в пике;
N – отсчет монитора потока нейтронов, пропорциональный
числу нейтронов, прошедших через детектор;
d – диаметр чувствительной зоны детектора;
k – коэффициент, определяемый при использовании
реперного детектора известной толщины.
Таким образом, в потоке нейтронов можно
определять толщины детекторов от ~ 0.3 мм и
более. Точность метода составляет 5–10%.
7
Рис. 14. Спектры продуктов реакций 28Si(n,α)25Mg (1–
3, 5, 6) и 28Si(n,p)28Al (4), полученные на n потоке НГ150 с использованием двух кремниевых детекторов
различного объема: спектр слева получен детектором,
объем которого в 1.4 раза больше объема детектора,
которому соответствует спектр справа.
Определение “объёмного” энергетического разрешения
толстых полупроводниковых детекторов
Поскольку реакции под действием быстрых нейтронов происходят с равной вероятностью во всех точках
чувствительной области детектора, форма (полуширина (FWHM)) пиков в спектре реакций 28Si(n, p)28Al и
28Si(n, α)25Mg дает информацию об “объемном” энергетическом разрешении детектора.
На рис. 15 приведены в сравнении “объемное” и
“поверхностное” энергетические разрешения для двух
исследованных нами детекторов разного качества, но с
примерно одинаковыми толщинами чувствительной
области (W = 4 мм (рис. 15а) и W= 3.8 мм (рис. 15б)).
Видно по спектрам от α-источника (левые), что
“поверхностное” разрешение обоих детекторов
приблизительно одинаково (FWHM 50 и 60 кэВ
соответственно).
“Объёмное” разрешение α-источник даёт не
корректно из-за того, что α-частицы
взаимодействуют с веществом детектора лишь в
приповерхностном слое входного окна.
Из спектров заряженных частиц под действием
быстрых n (правые спектры) “объёмное” разрешение
первого детектора ~ 50-70 кэВ (с учётом разброса
энергии пучка n меньше 100 кэВ [слайд 2]), а
второго детектора хуже и соответствует значению
> 400 кэВ.
8
Рис. 15. Спектры, полученные с использованием
качественного детектора (а) и детектора с плохим
объемным разрешением (б). Слева – спектры α-частиц
от источника 226Ra, справа – высокоэнергетические
части спектров заряженных частиц из реакций
28Si(n,p)28Al и 28Si(n,α)25Mg.
Использование протонов отдачи для измерения толщин
пролетных полупроводниковых детекторов
Поток n перед измерительным детектором помещается H-содержащая плёнка (например, полиэтилен) толщиной ~
20-40 мкм. В плёнке образуются быстрые p отдачи, имеющие под нулевым углом отдачи ту же энергию, что и
налетающий n (~ 14 МэВ из T+D - реакции). Энергетический спектр p легко идентифицируется и регистрируется ∆EE – телескопом на фоне заряженных частиц – продуктов взаимодействия нейтронов с материалом ΔЕ детектора,
поскольку сечение процесса выбивания протона велико (~220 Мб/ср для n). Если установить перед телескопом
детектор, то по энергетическому сдвигу δЕ пика протонов отдачи легко вычислить его толщину.
Таким способом можно измерять толщины до ~1.1 мм, так как пробег протонов с энергией Е р ~ 14 МэВ в кремнии
составляет 1.30 мм (регистрируемые телескопом протоны не должны полностью терять энергию в ΔЕ-детекторе
телескопа, чтобы быть зарегистрированными спектрометром).
На рис. 15 приведена схема эксперимента и пики протонов отдачи для двух детекторов различной толщины.
На рис. 16 показана зависимость энергетического
сдвига δЕ протонного пика от толщины из
меряемого детектора, вычисленная по значениям
пробегов протонов в кремнии.
W = 1.601(0.1δЕ) –0.391(0.1δЕ)2 – 0.064(0.1δЕ)3
(данная зависимость хорошо
аппроксимируется
полиномом третей степени)
где: W, мм – толщина
измеряемого детектора;
δЕ, МэВ – энергетический
сдвиг протонов пика.
Рис. 15. Определение толщины пролетных детекторов с
использованием протонов отдачи: (а) – геометрия
измерения, толщина пленки СН2 составляет 40 мкм; (б) –
пики протонов отдачи (Еn = 14 МэВ), измеренные без
поглотителя (1) и с использованием в качестве поглотителей
детекторов различной толщины, мм: 2 – 0.64, 3 – 1.06 .
9
Рис. 16. Зависимость энергетического
сдвига протонного пика (Ep ~ 14 МэВ)
от толщины измеряемого детектора.
Спасибо за внимание!