Исследование энергоугловых характеристик выхода первичных и вторичных фотонов при прохождении направленного реакторного излучения через пластины

из железа и свинца.

Гришина В.Г., Клосс Ю.Ю., Колядко Г.С., Папин В.К. Морозов А.В.(атогогоу(@р18ет.пе1),

Московский физико-технический институт (государственный университет)

Введение.

В данной работе производится компьютерное моделирование и анализ характеристик выхода первичного и вторичного гамма-излучения из железных и свинцовых пластин при облучении их мононаправленным пучком фотонов и нейтронов реакторного диапазона энергий.

Особое внимание обращается на энергоугловые распределения фотонов и количественные соотношения между распределениями рассеянных первичных гамма-квантов и вторичных фотонов, рожденных в процессе неупругих взаимодействий нейтронов с ядрами атомов вещества.

Расчетное моделирование производилось применительно к условиям пучкового эксперимента на установке ОР-М РНЦ КИ. Результаты рассчетного анализа позволяют оптимизировать планирование экспериментальных исследований.

Компьютерная модель.

В проведенных компьютерных расчетах использовалась одномерная геометрическая модель эксперимента. Бесконечно широкий мононаправленный пучок фотонов и нейтронов заданного спектра падал перпендикулярно поверхности неограниченной однородной железной или свинцовой пластины плотности р и фиксированной толщины

H (см. рис. 1). В пространстве с обеих сторон пластины определялся дифференциальный поток и энергоугловое распределение гамма-квантов, приходящих в объемные детекторы, и вычислялась экспозиционная доза D в соответствии с кривой Снайдера [5].

В качестве энергетических распределений исходных нейтронов и фотонов был использован ряд спектров, измеренных на реакторной установке ОР-М [1,2,3]. Фотонный и нейтронный компоненты пучка "n300" сформированны с использованием свинцовых фильтров, подавляющих первичное гамма-излучение реактора, практически не ослабляя нейтронный поток. Спектр с отметкой "LiH" получен при помощи фильтров из гидрида лития, которые уменьшают общий поток нейтронов реактора примерно в 103 раз. Таким образом, в качестве исходных данных по источнику взяты характеристики фотонного ("LiH") и нейтронного ("n300") пучков излучения реакторной установки ОР-М и

пучка ОР-М

"Ra", также использованием

пластина

/

источник Рис. 1. Схема эксперимента

"иммитационного" фотонного сформированного на установке эталонного Ra-y-Be источника [5,6].

В качестве исследуемых материалов были выбраны железо и свинец, поскольку, с одной стороны, они часто используются при построении защиты от ионизирующих излучений, и с другой, сильно различаются по физическим свойствам. В свинце, в силу большего атомного номера, значительно сильнее выражен фотоэффект и процесс рождения пар, чем в железе, и в то же время взаимодействие с нейтронами происходит менее интенсивно, что и делает интересным сравнение характеристик выхода фотонного излучения из этих металлов.

Проведенные расчеты были выполнены при помощи программного комплекса MCNP4B с использованием библиотеки ядерных данных DLC189. Рассматривались естественные смеси изотопов. Их плотности и библиотечные индексы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики рассматриваемых материалов.

Материал

железо

свинец

плотность,

г/см3

7.874

11.34

атомная плотность,

1/см3

8,564*1022 3,324*1022

тип данных

фотонные нейтронные

фотонные нейтронные

индекс в библиотеке

26000.02p 26000.50c 82000.02p 82000.50c

Результаты.

Одной из базовых характеристик, дающих наглядное представление о происходящих процессах, является зависимость экспозиционной дозы на выходной поверхности пластины от ее толщины. Для фотонного компонента пучка "n300" она приведена на рисунке 2 . Как видно из графика, с хорошей точностью можно считать, что поток первичных гамма-квантов ослабляется по экспоненте при толщине H более 30г/см2 и 40г/см2 для свинцовых и железных пластин соответственно. Длины релаксации, расчитанные на этом участке, представленны в таблице 2.

Вторичное фотонное излучение, генерируемое при неупругом рассеянии нейтронов на ядрах мишени, начинает линейно возрастать с увеличением толщины, далее, из-за поглощения гамма-квантов, выходящих из глубоких слоев образца, рост замедляется, и начинается спад, связанный с ослаблением нейтронного пучка (рис. 3). Максимум выхода вторичного излучения достигается при толщине Н=(35±5)г/см2 и Н=(32±2)г/см2 для свинцовых и железных пластин соответственно.

В первом приближении можно считать, что интенсивность потока нейтронов и вторичных фотонов падает с увеличением толщины пройденного материала по

1 г—I-)-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г-1-1-1-1-1-1-г-1-1-г

L_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_I_j_I_I_I_I_I_I_I_л

О20406080100120140

Толщина пластины II, г/см2

Рис. 2. Мощность экспозиционной дозы первичных фотонов за пластиной, облучаемой фотонным компонентом пучка "п300", в зависимости от ее толщины.

экспоненте с постоянными длинами релаксации Хп и Xp ; тогда интегрируя вторичное

излучение от слоя материала, отстоящего на x от выходной поверхности пластины получим выражение для экспозиционной дозы:

D(H) = j [a e (H - x)/Яп ] e x / Apdx = const e H / Яп [1 - e<u Ap -1/K) H ](1)

Несмотря на сделанные допущения, данная формула, как видно из рисунка 3, работает хорошо. Вычисленные по методу наименьших квадратов коэффициенты X и

Хп приведены в таблице 3.