ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2023, том 86, № 2, с. 353-360

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЫХОДОВ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

ИЗ (α, n)- и (α, nγ)-РЕАКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ НОВОЙ ВЕРСИИ

ПРОГРАММЫ NeuCBOT ДЛЯ НИЗКОФОНОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

И. А. Гончаренко^4)***, А. С. Чепурнов^1),5)****

Поступила в редакцию 18.10.2022 г.; после доработки 18.10.2022 г.; принята к публикации 04.11.2022 г.

Реакции (α, n) и (α, nγ), которые происходят в результате α-распадов урана, тория и их дочерних

нуклидов, создают собственный нейтронный и гамма-фон в современных ультранизкофоновых детек-

торах нейтрино и темной материи. Для минимизации фона жизненно необходим отбор материалов на

основе детального анализа относительных концентраций радионуклидов и расчета выходов нейтронов

и гамма-излучения. Программа NeuCBOT (Neutron Calculator Based On TALYS) обеспечивает

проведение подобных вычислений. Статья посвящена обзору новой версии NeuCBOT и сравнению

результатов расчетов с применением разных программных инструментов.

DOI: 10.31857/S0044002723020083, EDN: RIUOGZ

1. ВВЕДЕНИЕ

практически неотличимо от реакций обратного β-

распада (ОБР) или рассеяния частицы темной ма-

Исследование (α, n)- и (α, nγ)-реакций, проис-

терии на ядре. (α, n)-реакции важны в прикладных

ходящих с участием разных ядер-мишеней, про-

задачах, связанных с функционированием АЭС,

диктовано не только интересом к этим явлениям

обращением с отработанным ядерным топливом и

как таковым, но и необходимостью рассмотрения

контролем за нераспространением ядерного ору-

и учета их в ряде фундаментальных и прикладных

жия. Например, для лучшего понимания нейтрон-

задач. Среди фундаментальных вопросов можно

ных взаимодействий, зависящих от энергии частиц,

выделить изучение структуры ядра, исследование

с изотопами кислорода в ядре реактора изучают-

процессов при вспышках сверхновых, образовании

ся обратные реакции, в том числе уже упомяну-

нейтронных звезд и нуклеосинтезе. В частности,

тый процесс¹³C(α, n)¹⁶O. Для определения уров-

реакция¹³C(α, n)¹⁶O предполагается одним из ос-

ня обогащения топлива можно проводить нераз-

новных источников нейтронов в s-процессах [1-

рушающие анализы, основанные на регистрации

4]. С увеличением размеров и чувствительности

нейтронов, возникающих при взаимодействии α-

нейтринных детекторов и установок, нацеленных на

частиц с легкими компонентами топлива. Чтобы

прямой поиск частиц темной материи, нейтроны от

контролировать ситуацию в подземных хранили-

(α, n)-реакций стали одним из основных компонен-

щах отработанного ядерного топлива помимо про-

тов фона. Их взаимодействие с рабочим веществом

чего необходим и важен учет потока нейтронов,

рождающихся в (α, n)-реакциях.

¹⁾Научно-исследовательский институт ядерной физики

им. Д.В. Скобельцына Московского государственного

Итогом исследований в большинстве случаев

университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия.

являются посчитанные или измеренные сечения,

²⁾Объединенный институт ядерных исследований, Дубна,

Россия.

спектры и выходы частиц. Б ´ольшая часть экспе-

³⁾Факультет физики и астрономии Калифорнийского уни-

риментов была выполнена в период с 50-х по 90-

верситета в Риверсайде, Калифорния, США.

е гг. XX в., и их результаты для многих ядер до

⁴⁾Физический факультет Московского государственного

сих пор весьма плохо согласуются. С другой сто-

университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия.

роны программы, используемые для вычиcлений,

⁵⁾Международная научно-образовательная лаборатория

могут давать значения, отличающиеся на десятки

радиационной физики Белгородского государственного

процентов или даже в разы. Такая неудовлетво-

национального исследовательского университета, Россия.

рительная ситуация привела к всплеску интереса

^*E-mail: gromov@physics.msu.ru

^**E-mail: shawn.westerdale@ucr.edu

к данной теме в последние годы, что выражается

^***E-mail: iv.gonch.0907@gmail.com

в появлении новых статей с недавними экспери-

^****E-mail: aschepurnov@yandex.ru

ментальными данными [4-6] и новых программных

353

354

ГРОМОВ и др.

инструментов [7-10], а также в проведении меж-

экстракция полония [14]. Методы взаимодополня-

дународных рабочих совещаний [11-13]. Насто-

ют друг друга, так как чувствительны к разным

ящая статья развивает тему вычислений выходов

нуклидам из цепочек распада.

и спектров нейтронов и γ-квантов из (α, n)- и

γ-Фон от (α,nγ)-реакций рассчитывается так-

(α, nγ)-реакций и посвящена обновлению утилиты

же с той лишь разницей, что в выражении (1)

NeuCBOT и получаемым с ее помощью резуль-

вместо выходов нейтронов используются выходы

татам с ориентацией на дальнейшее применение в

γ-квантов.

первую очередь для нужд низкофоновых экспери-

ментов.

3. МЕТОДИКА ВЫЧИСЛЕНИЯ ВЫХОДОВ

НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

2. ФОН ОТ (α, n)- И (α, nγ)-РЕАКЦИЙ

Для расчета выходов и спектров нейтронов

В НЕЙТРИННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

можно использовать одну из следующих про-

И В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ПОИСКУ

грамм: NeuCBOT [8, 10], SOURCES4A [15] или

ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

SOURCES4C [16], NEDIS-2.0 [17-20], USD [21]

и SaG4n [9]. Все перечисленные утилиты, кроме

Любой детектор состоит из различных мате-

последней, используют одинаковую методику рас-

риалов. И каждый материал содержит некоторое,

чета.

пусть и крайне малое, количество радиоактивных

Для единичного взаимодействия, когда налета-

примесей. Среди них можно выделить²³²Th,²³⁵U,

ющая α-частица имеет энергию E_α, а испускаемый

²³⁸U и их дочерние нуклиды. Распадаясь, эти яд-

нейтрон — энергию E_n, выход нейтронов Y_i вычис-

ра могут порождать α-частицы, которые в свою

ляется следующим образом:

очередь вызывают (α, n)- и (α, nγ)-реакции. Как

∫

уже отмечалось во введении, опасными для низко-

σ(E^′α, E_n)

фоновых детекторов являются нейтроны, которые

Y_i(E_α,E_n) =

dE^′α,

(2)

ξ(E^′α)

порождают фоновые сигналы, крайне схожие с

полезными сигналами от взаимодействий нейтрино

где σ(E^′α, E_n) — сечение реакции, ξ(E^′α) — тор-

и частиц темной материи с веществом мишени.

мозная способность вещества. Интеграл берется

Уменьшение влияния данного типа фона на изме-

от нуля, так как предполагается, что вероятность

рения возможно при отборе и/или производстве

захвата α-частицы мала, и поэтому при движении в

материалов для компонентов детектора с мини-

среде частица может потерять энергию полностью.

мальным содержанием изотопов урана и тория

Если выход нейтронов необходимо рассчитать

и минимальными выходами нейтронов из (α, n)-

для материала со сложным составом и для набора

реакций. Соответствующий остаточный нейтрон-

α-частиц, то формула (2) усложняется

ный фон N_j для конкретного материала, использу-

Y_i(E_α,E_n) =

(3)

емого в определенной части детектора⁶⁾ с индексом

j, может быть рассчитан по следующей формуле:

∫

∑ ∑

∑

N_AC_m

σ(E^′α, E_n)

= P_α

dE^′α,

N_j = (1 - ε_j)mT a_iY_i,

(1)

A_m

ξ(E^′α)

где первое суммирование осуществляется по всем

где (1 - ε_j ) — установленная в результате Монте-

α-частицам, второе — по всем нуклидам согласно

Карло-моделирования вероятность не зарегистри-

составу материала и указанной распространенно-

ровать нейтрон, испускаемый в j-части установ-

сти изотопов (естественная или заданная), P_α —

ки; m — масса материала; T — период набора

заданный вес для α-частицы с исходной энергией

данных; индекс i указывает на рассматриваемую

E_α или коэффициент ветвления, N_A — число Аво-

цепочку распада или ее часть; a_i — удельная актив-

гадро, C_m — массовая доля нуклида, A_m — его

ность материала; Y_i — выход нейтронов, вычислен-

массовое число.

ный с помощью специализированной программы

В случае программы SaG4n расчет выполняется

с учетом состава материала. Удельные активно-

принципиально иным способом. SaG4n базируется

сти измеряются тремя методами, а именно масс-

на пакете для моделирования Geant4 [22-24], что

спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой

позволяет в рамках виртуального эксперимента

(ИСП-МС), γ-cпектрометрия с использованием

осуществлять явным образом транспорт налетаю-

детекторов из особо чистого германия (ОЧГ) и

щих α-частиц при геометрии установки практиче-

ски любой сложности, моделирование возможных

⁶⁾Например, в качестве отдельной части может рассмат-

риваться центральный детектор или водное черенковское

(α, n)-реакций, параметры рождающихся нейтро-

вето.

нов и при необходимости дальнейшее движение

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№2

2023

ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЫХОДОВ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

355

частиц. При этом Geant4 позволяет также рас-

или, иными словами, информация из библиоте-

сматривать более сложные ситуации, когда од-

ки TENDL-2015 [28]. Во второй версии (v-2.0)

новременно с нейтронами в реакциях рождаются

выполнен переход на TALYS-1.95 [26] и соот-

γ-кванты или даже другие частицы, если такое

ветственно TENDL-2019 [29]. В третьей версии

возможно. Таким образом, моделирование (α, n)-

(v-3.0) добавлена поддержка базы данных оценен-

и (α, nγ)-реакции с помощью SaG4n максимально

ных сечений JENDL/AN-2005 [30, 31] как допол-

приближено к реальности. Недостатком програм-

нительный и альтернативный вариант к TENDL-

мы является б ´ольшая сложность по сравнению с

2019. Для всех версий программы NeuCBOT тор-

другими утилитами в задании входных данных и

мозные способности разных материалов берутся

обработке выходной информации, а также в значи-

из базы данных, полученной с применением набо-

тельно б ´ольших временных затратах из-за модели-

ра программ SRIM. Если пользователь указыва-

рования каждой частицы и реакции. И хотя в сред-

ет в качестве входной информации не список α-

нем для простых случаев с одним или несколькими

частиц с заданными энергиями и вероятностями

материалами для каждой цепочки распадов или

генерации, а нуклиды, которые могут испытывать

набора α-частиц моделирование длится несколь-

α-распад или даже запускать цепочку распадов,

ко часов на обычном персональном компьютере,

то информация о возможных каналах распадов

при увеличении точности расчетов и/или сложно-

и энергии α-частиц формируется и сохраняется

сти геометрии модели продолжительность расче-

NeuCBOT в виде локальной базы по результатам

тов может возрастать до нескольких дней. Ситуа-

поиска соответствующих данных в ENSDF [32].

ция также может стать критичной, если требуется

Между версиями NeuCBOT есть и другие осо-

определить выходы частиц для списка материалов,

бенности. Первые две версии позволяют рассчиты-

который включает десятки или даже сотни позиций.

вать только выходы и спектры нейтронов и никак

Поэтому применение других инструментов, как,

не учитывают возможность наличия γ-квантов. В

например, NeuCBOT или SOURCES4, которые

третьей версии этот момент учтен и исправлен, так

могут обеспечить схожую точность вычислений, но

что можно получать выходы и спектры γ-квантов.

за меньшее время, обоснованно.

Кроме того, в третьей версии осуществлен переход

с Python 2 на Python 3.

Если рассматривать достоинства и недостатки

4. NeuCBOT

третьей версии программы, то и тех и других весьма

много. К достоинства относятся:

Программа NeuCBOT задумывалась как ин-

струмент для оценки нейтронного фона от (α, n)-

1. Простота в использовании. Может исполь-

реакций в низкофоновых экспериментах, хотя раз-

зоваться неспециалистами без необходимо-

работка велась в рамках потребностей проекта

сти какой-либо серьезной настройки после

по поиску темной материи DarkSide-50. Автором

скачивания.

первых двух версий утилиты был Шон Вестер-

2. Гибкость. Программа пригодна для экспе-

дейл. Начиная с третьей версии, над обновлениями

риментов, применяющих разные материа-

и улучшениями работает команда разработчиков

лы, имеющих разные уровни загрязнения α-

уже из трех человек (Ш. Вестердейл, М. Громов,

радиоактивными ядрами и разные предполо-

И. Гончаренко). NeuCBOT написан на языке про-

жения по поводу наличия векового равнове-

граммирования Python и адаптирован к запуску

сия.

из консоли на операционной системе из семейства

Linux. Программа распространяется как свобод-

3. Быстродействие. Если данные TENDL уже

ное программное обеспечение по Открытому ли-

загружены или предварительно посчитаны,

цензионному соглашению GNU версии 3.0 (GNU

то NeuCBOT выдает результат в течение

General Public License v3.0). Разные версии кода и

нескольких минут. Если TALYS необходимо

инструкции по его применению хранятся на стра-

запустить, то процедура длится от десятков

ницах проекта в GitHub [10].

минут до нескольких часов.

NeuCBOT, как следует из полного названия

4. Код написан на широко распространенном

программы Neutron Calculator Based On TALYS,

и актуальном языке программирования

при вычислениях опирается на базу (библиотеку)

Python. NeuCBOT легко модифицировать и

данных ядерных реакций, созданную с помощью

адаптировать к различным потребностям.

пакета TALYS [25-27]. Эта база содержит ин-

формацию о сечениях (α, n)- и (α, nγ)-реакций

5. Минимальный набор зависимостей. Язык

и спектрах испускаемых частиц. В оригинальной

программирования Python 3 и командная

версии NeuCBOT, имеющей обозначение v-1.0,

оболочка Bash. Опционально TALYS версии

использовались выходные данные TALYS-1.6 [26]

1.95 или более новой.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№2

2023

356

ГРОМОВ и др.

Набор выходных файлов TALYS (набор биб-

рассмотрения сложных компонентов экспе-

лиотек) для каждого химического элемента.

риментальных установок, включая много-

Файлы могут быть подгружены с удален-

слойные структуры. Допускается лишь од-

ного хранилища в папку с программой с

нородное распределение загрязнения по ма-

помощью скрипта, который является частью

териалу.

NeuCBOT. Таким образом, можно избежать

3. Не учитываются какие-либо взаимодействия

запуска TALYS и в десятки раз ускорить

вторичных частиц (нейтронов и гамма-

расчет выходов и спектров. Также можно

квантов) после их рождения с окружающим

подгружать данные по сечениям реакций из

веществом.

JENDL, если они имеются для рассматрива-

емых нуклидов.

4. В используемые библиотеки не добавлены

экспериментальные данные, полученные за

Если используются данные, полученные с

последние годы.

помощью TALYS, то помимо выходов ней-

тронов и γ-квантов выводится информация о

5. Парциальные сечения взаимодействия для

спектрах частиц.

возбужденных состояний дочерних ядер не

включены в вычисления, и не реализован

Диапазон энергий α-частиц от 0 до 10 МэВ.

механизм их учета.

Принимается во внимание возможное нару-

6. Не встроена опция определения реалистич-

шение векового равновесия в цепочке рас-

ных потерь энергии α-частицами до начала

падов²³⁸U из-за наличия двух долгожи-

реакций.

вущих нуклидов, а именно²²⁶Ra и²¹⁰Pb

с периодами полураспада 1602 и 22.3 го-

да соответственно, которые в отличие от

5. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ

других долгоживущих ядер семейства могут

ВЫХОДОВ НЕЙТРОНОВ ПРИ

накапливаться в материалах.²²⁶Ra может

ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗНЫХ ВЕРСИЙ

накапливаться, так как является щелочно-

NeuCBOT И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ

земельным металлом и под воздействием

ПРОГРАММ

тех или иных химических процессов может

успевать отделяться от первичного матери-

Серьезным недостатком оригинальной версии

ала, где остаются предыдущие члены семей-

NeuCBOT было использование сечений (α, n)-

ства, относящиеся к актинидам. Накопление

реакций, получаемых только из программы TALYS.

²¹⁰Pb обусловлено существованием²²²Rn в

Хотя используемые в TALYS подходы для расчета

газообразной фазе при нормальных усло-

ядерных реакций проверяются и настраиваются

виях, который легко переносится, будучи

по имеющимся экспериментальным данным, для

компонентой воздуха, и далее его дочерние

ряда случаев хорошего уровня согласия добиться

ядра быстро распадаются до первого долго-

не получается. В частности, такая ситуация имеет

живущего нуклида, коим и является²¹⁰Pb.

место для легких ядер. Как хорошо показано в ста-

Если расчет выполняется в предположении

тье [9], TALYS предсказывает гладкие зависимости

нарушенного векового равновесия в цепочке

сечений (α, n)-реакций от энергии налетающих α-

частиц в области от 0 до 10 МэВ, в то время как

²³⁸U, то применяется допущение о сохране-

из экспериментов известно, что либо зависимости

нии равновесия в частях ряда: от²³⁸U до

имеют больше особенностей, либо даже резонанс-

²²⁶Ra, от²²⁶Ra (включительно) до²¹⁰Pb и от

ную структуру. Стоит также отметить, что для лег-

²¹⁰Pb (включительно) до стабильного²⁰⁶Pb.

ких ядер рассчитанные с помощью TALYS сечения

оказываются в среднем выше, чем сечения, полу-

К недостаткам можно отнести:

ченные из эксперимента. Как результат программа

NeuCBOT систематически давала более высокие

выходы нейтронов, например, для органических

1. Реакции рассматриваются в объеме матери-

соединений или для алюминия, кремния и бора.

ала без учета каких-либо краевых эффектов

(бесконечная среда). В результате нет опций

В работах [33] и [9] проводились сравнения

для случаев поверхностных загрязнений или

доступных экспериментальных данных и результа-

тонких пленок.

тов вычислений с помощью разных программ при

использовании разных бибилиотек сечений (α, n)-

2. Отсутствует возможность задания геомет-

реакций. Показано значительное (десятки процен-

рии объектов, что приводит к невозможности

тов или даже разы) влияние значений сечений на

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№2

2023

ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЫХОДОВ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

357

Расчет/эксперимент

3.0

Ряд ²³²Th

2.5

NeuCBOT+TENDL-2015

NeuCBOT+TENDL-2019

NeuCBOT+JENDL/AN-2005

2.0

1.5

1.0

0.5

BeO NaF Na₂CO₃ Al₂O₃ SiO₂

Рис. 1. Сравнение результатов расчетов выходов нейтронов для легких ядер с применением разных версий NeuCBOT.

Числовые значения нормированы на данные экспериментов для демонстрации согласия между вычислениями и

измерениями. Приведено сравнение только для ряда тория.

Расчет/эксперимент

3.0

Ряд ²³²Th

SaG4n+JENDL/AN-2005

2.5

SOURCES4

NEDIS

2.0

USD

NeuCBOT+JENDL/AN-2005

1.5

1.0

0.5

BeO NaF Na₂CO₃ Al₂O₃ SiO₂

Рис. 2. Сравнение результатов расчетов выходов нейтронов для легких ядер с применением разных программ, включая

обновленную версию NeuCBOT. Числовые значения нормированы на данные экспериментов для демонстрации согласия

между вычислениями и измерениями. Приведено сравнение только для ряда тория.

итоговый результат. Особенно хорошего согласия

да. Стоит отметить, что они справедливы и для дру-

удавалось добиться при использовании базы дан-

гих материалов, и для цепочек распада, т.е. имеют

ных оцененных сечений JENDL/AN-2005. Поэто-

общий характер. Во-первых, все утилиты, кроме

му эта библиотека была добавлена в NeuCBOT, и

USD, в настоящее время дают близкие результа-

согласие результатов расчетов с эксперименталь-

ты, различающиеся практически во всех случаях

ными значениями ожидаемо улучшилось. Соответ-

не более чем на 20-30%. Такое положение дел

ствующие сравнения для цепочки²³²Th в качестве

объясняется в той или иной мере общими исходны-

примера приведены на рис. 1 и 2.

ми экспериментальными и оцененными данными,

общей методикой расчета (за исключением пакета

Если рассмотреть внимательно приведенные на

рисунках результаты, то можно сделать два выво- SaG4n), а также своевременной поддержкой и об-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№2

2023

358

ГРОМОВ и др.

Таблица 1. Рассчитанные с помощью NeuCBOT выходы нейтронов из (α, n)-реакций для ряда металлов и сплавов,

которые могут использоваться в качестве конструкционных материалов

Выход нейтронов, 10-8 нейтронов на распад родительского ядра

Материал

²³²Th

²³⁵U

²³⁸U верхняя

²³⁸U средняя

²³⁸U нижняя

1.3

2.7

Cu20Ti80

510

180

0.15

200

0.7

620

220

0.18

240

0.9

ВТ1-00

625

230

0.4

240

1.1

ВТ1-0

630

230

0.6

250

1.45

Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т

190

0.13

0.18

Таблица 2. Рассчитанные с помощью NeuCBOT выходы γ-квантов из (α, nγ)-реакций для ряда металлов

и сплавов, которые могут использоваться в качестве конструкционных материалов

Выход γ-квантов, 10-10 γ-квантов на распад родительского ядра

Материал

²³²Th

²³⁵U

²³⁸U верхняя

²³⁸U средняя

²³⁸U нижняя

29.5

0.02

0.16

Cu20Ti80

0.06

0.18

0.07

0.19

ВТ1-00

0.11

0.23

ВТ1-0

0.16

0.27

Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т

0.4

16.4

1.3

новлением программ. Указанный уровень предель-

большой сложности и было осуществлено. Даль-

ных отклонений в результатах адекватен современ-

нейшие тесты показали, что, как и ожидалось,

ному уровню знаний в этой области. Уменьшение

выходы γ-квантов на порядки ниже выходов ней-

разброса в основном может быть достигнуто, если

тронов. Например, в табл. 1 и 2 приведены зна-

появятся новые точные экспериментальные данные

чения для разных металлов и сплавов, которые

в первую очередь для сечений. Во-вторых, имеет-

могут использоваться в качестве конструкционных

ся хорошее согласие результатов между SaG4n и

материалов в низкофоновых детекторах. Значения

NeuCBOT. Это означает, что для ряда несложных

различаются на один-три порядка. Столь неболь-

задач и оценок можно применять NeuCBOT, уско-

шие выходы γ-квантов — меньше 10-8 частиц на

ряя вычисления и не опасаясь серьезно ошибиться

распад первого в цепочке (родительского) ядра —

или значительно увеличить систематическую по-

позволяют пренебрегать данным фоном в боль-

грешность.

шинстве случаев.

Дополнительно к информации о выходах γ-

квантов третья версия программы NeuCBOT вы-

6. РАСЧЕТ ВЫХОДА ГАММА-КВАНТОВ

водит и спектры частиц, при этом формат вывода

ИЗ (α, nγ)-РЕАКЦИЙ В NeuCBOT

такой же, как в случае с нейтронами.

Методика расчета выходов γ-квантов из (α,

nγ)-реакций не отличается от подхода, использо-

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ванного при вычислении выходов нейтронов. Од-

новременно программа TALYS позволяет учиты-

В новой версии программы NeuCBOT за счет

вать разные реакции и получать в выходных файлах

использования оцененных сечений из базы дан-

информацию об испускаемых частицах в едином

ных JENDL/AN-2005 удалось значительно улуч-

формате. Поэтому добавление расчета для (α, nγ)-

шить согласие вычисленных нейтронных выходов

реакций в программу NeuCBOT не представляло

для легких ядер с экспериментальными данными

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№2

2023

ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЫХОДОВ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ

359

и результатами расчетов в других программных

10.

S. Westerdale, NeuCBOT (Neutron Calculator

инструментах. От имеющихся измерений значе-

Based On TALYS),

ния, полученные в NeuCBOT, отличаются в боль-

https://github.com/shawest/neucbot

шинстве случаев не более чем на 20%. Особого

11.

(α, n) Yield in Low Background Experiments,

внимания заслуживает схожесть значений, рассчи-

workshop, Madrid, 2019,

танных с применением пакета SaG4n и програм-

https://agenda.ciemat.es/event/1127/

мы NeuCBOT, так как SaG4n позволяет моде-

12.

S. S. Westerdale, A. Junghans, R. J. deBoer,

лировать треки α-частиц в среде и последующие

M. Pigni, and P. Dimitriou, INDC(NDS)-0836,

(α, n)-реакции, наиболее реалистично воспроизво-

https://www-nds.iaea.org/publications/indc/indc-

дя физические процессы. Принимая во внимание

nds-0836.pdf

простоту, быстродействие и гибкость программы

13.

IAEA Technical Meeting on (α, n) Nuclear Data

NeuCBOT, этот инструмент оказывается весьма

Evaluation and Data Needs, online meeting,

удобен и практичен для задач, где нет сложных по

Vienna, 2021,

форме и составу тел, и нет высоких требований к

https://conferences.iaea.org/event/283/

точности расчетов.

14.

T. Mr ´oz, P. Czudak, M. W ´ojcik, and G. Zuzel,

Кроме того, обновленная программа NeuCBOT

Studies of Bulk

²¹⁰P o/²¹⁰P b Contamination

предоставляет возможность рассчитывать выходы

in High Purity Copper for Low Background

и спектры γ-квантов из (α, nγ)-реакций, а ее код

Detectors

(2021), TAUP conference, Valencia,

Spain,

полностью переведен со второй на третью версию

https://indico.ific.uv.es/event/6178/

языка программирования Python.

contributions/15941/attachments/9251/12395/

Работа выполнена при финансовой поддержке

TAUP_conference_2021_Tomasz_Mroz.pdf

Министерства науки и высшего образования Рос-

15.

W. B. Wilson et al., Tech. Rep. LA-13639-MS (Los

сийской Федерации, контракт № 13.2251.21.0113

Alamos National Laboratory, 1999).

(в ГИИС

“Электронный бюджет” соглашение

16.

W. B. Wilson, R. T. Perry, W. S. Charlton, T. A. Parish,

№ 075-15-2021-1392).

and E. F. Shores, Radiat. Prot. Dosim. 115, 117

(2005).

17.

G. N. Vlaskin, Tech. Rep. VNIINM 06-1, VNIINM

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(2006).

1. D. Hollowell and I. J. Iben, Astrophys. J. Lett. 333,

18.

G. N. Vlaskin, Y. S. Khomyakov, and V. I. Bulanenko,

L25 (1988).

At. Energy 117, 357 (2015).

2. R. Gallino, M. Busso, G. Picchio, C. M. Raiteri, and

19.

G. Vlaskin and Y. Khomiakov, EPJ Web Conf. 153,

A. Renzini, Astrophys. J. Lett. 334, L45 (1988).

07033 (2017).

3. F. K ¨appeler, R. Gallino, S. Bisterzo, and W. Aoki, Rev.

20.

G. Vlaskin and Y. Khomiakov, At. Energy 130, 104

Mod. Phys. 83, 157 (2011), arXiv:1012.5218 [astro-

(2021).

ph.SR].

21.

D. M. Mei, C. Zhang, and A. Hime, Nucl.

4. G. F. Ciani et al., Phys. Rev. Lett. 127, 152701

Instrum. Methods Phys. Res. A 606, 651 (2009),

(2021), arXiv:2110.00303 [nucl-ex].

arXiv:0812.4307 [nucl-ex].

22.

S. Agostinelli et al. (GEANT4), Nucl. Instrum.

5. M. Febbraro et al., Phys. Rev. Lett. 125, 062501

Methods Phys. Res. A 506, 250 (2003).

(2020).

23.

J. Allison et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. 53, 270

6. K. Brandenburg, G. Hamad, Z. Meisel, C. R. Brune,

(2006).

D. E. Carter, J. Derkin, D. C. Ingram, Y. Jones-

Alberty, B. Kenady, T. N. Massey, M. Saxena,

24.

J. Allison et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.

D. Soltesz, S. K. Subedi, and J. Warren, arXiv:

A 835, 186 (2016).

2208.12405 [nucl-ex].

25.

A. J. Koning and D. Rochman, Nucl. Data Sheets

113, 2841 (2012).

7. E. Mendoza, D. Cano-Ott, V. Pesudo, and

R. Santorelli, SaG4n, Simulation of (α, xn)

26.

A. Koning, S. Hilaire, and S. Goriely, Talys, Nuclear

Reactions with Geant4,

Reaction Program,

http://win.ciemat.es/SaG4n/

https://tendl.web.psi.ch/tendl_2021/talys.html

8. S. Westerdale and P. D. Meyers, Nucl. Instrum.

27.

A. J. Koning, D. Rochman, J. C. Sublet, N. Dzysiuk,

Methods Phys. Res. A

875,

(2017),

M. Fleming, and S. van der Marck, Nucl. Data Sheets

arXiv:1702.02465 [physics.ins-det].

155, 1 (2019).

9. E. Mendoza, D. Cano-Ott, P. Romojaro, V. Alcayne,

28.

A. Koning, D. Rochman, J. Kopecky, et al.,

P. Garcia Abia, V. Pesudo, L. Romero, and

TENDL-2015, TALYS-Based Evaluated Nuclear

R. Santorelli, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A

Data Library,

960, 163659 (2020), arXiv:1906.03903 [hep-ph].

https://tendl.web.psi.ch/tendl_2015/tendl2015.html

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№2

2023

360

ГРОМОВ и др.

29. A. Koning, D. Rochman, and J. Sublet,

Sublibrary,

TENDL-2019, TALYS-Based Evaluated Nuclear

https://wwwndc.jaea.go.jp/ftpnd/jendl/jendl-5-

Data Library, URL

a.html

https://tendl.web.psi.ch/tendl_2019/tendl2019.html

30. T. Murata et al., Tech. Rep. JAEA-Research

32. J. Tuli, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 369,

2006-052, Japan Atomic Energy Agency (2006),

506 (1996).

https://wwwndc.jaea.go.jp/ftpnd/jendl/jendl-an-

2005.html

33. A. C. Fernandes, A. Kling, and G. N. Vlaskin, EPJ

31. O. Iwamoto et al., JENDL-5 Alpha-Particle

Web Conf. 153, 07021 (2017).

(α, n) AND (α, nγ) YIELD CALCULATIONS WITH A NEW VERSION

OF NeuCBOT FOR LOW BACKGROUND EXPERIMENTS

M. Gromov^1),2), S. Westerdale³⁾, I. Goncharenko⁴⁾, A. Chepurnov^1),5)

¹⁾Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University, Russia

²⁾Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia

³⁾Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA

⁴⁾Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University, Russia

⁵⁾Radiation Physics Laboratory, Belgorod National Research University, Russia

The (α, n) and (α, nγ) reactions, which occur as a result of α-decays of uranium, thorium and their daughter

nuclides, create internal neutron and gamma backgrounds in modern ultra-low background neutrino and

dark matter detectors. To minimize the backgrounds, it is essential to select materials based on a detailed

analysis of the relative concentrations of the radionuclides and calculation of neutron and gamma yields.

The NeuCBOT program (Neutron Calculator Based On TALYS) provides such evaluations. The article is

devoted to the review of the new version of NeuCBOT and comparison of the results of the calculations

using different software tools.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№2

2023