1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 11, 2022

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 11, стр. 103-106

Моделирование методом Монте-Карло мишени компактного источника нейтронов проекта DARIA

Л. Н. Латышева a, Н. М. Соболевский a, *, Э. А. Коптелов a

a Институт ядерных исследований РАН
117312 Москва, Россия

* E-mail: sobolevs@inr.ru

Поступила в редакцию 17.02.2022
После доработки 08.03.2022
Принята к публикации 10.03.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методом Монте-Карло рассчитаны потоки нейтронов, испускаемых из мишеней различной геометрии и состава под действием пучка протонов низкой энергии (13 МэВ). Мишенью служит тонкий слой бериллия толщиной 1–2 мм либо трехмерная конструкция, включающая бериллий, медь и полиэтилен. Приводятся энергетические спектры нейтронов. Проведено сравнение с расчетами других авторов.

Ключевые слова: проект DARIA, пучок протонов, компактная мишень, выход нейтронов, энерговыделение, бериллий, медь, полиэтилен, метод Монте-Карло, транспортный код, МАГАТЭ.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка компактных источников нейтронов на базе новых технологий линейных ускорителей (проект DARIA) в настоящее время широко обсуждается и рассматривается как актуальное направление нейтронной физики (например, https://www.atomic-energy.ru/news/2019/10/08/ 98 067). Преимуществом этого проекта является отсутствие делящихся элементов, что обеспечивает экологическую чистоту и снимает необходимость серьезной охраны.

В настоящей работе при моделировании нейтронобразующей мишени учтены следующие соображения. Исходя из требования компактности габариты мишени не должны заметно превышать ~10 см по всем координатным осям. Мишенное устройство должно включать несущий элемент в виде достаточно толстого слоя металла, например, меди, который может также служить поглотителем протонов пучка. В целях замедления образующихся нейтронов, если это требуется, мишенное устройство может включать замедлитель, например, полиэтилен, как внешнюю оболочку сборки мишени.

Моделирование методом Монте-Карло выхода нейтронов из мишенных устройств под действием пучка протонов проводили с использованием разработанного в ИЯИ РАН транспортного кода SHIELD [1]. Информацию о коде SHIELD можно найти на сайте http://www.inr.ru/shield/, где описаны история его развития, физические модели и архитектура, а также области применения кода с подробным списком публикаций. Транспортный код SHIELD успешно применяется при моделировании процесса взаимодействия адронов и ядер со сложными макроскопическими мишенями [4–12], что является необходимым этапом широкого круга исследований в фундаментальной и прикладной ядерной физике.

Энергию протонов Ep в расчетах предполагали не выше 20–30 МэВ, фактически Ep = 13 МэВ. В качестве мишени рассматривали разные геометрические конфигурации, в частности тонкий слой бериллия толщиной 1–2 мм.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ КОНФИГУРАЦИЯ МИШЕНИ В ВИДЕ СЛОЯ БЕРИЛЛИЯ

Тонкий слой бериллия является адекватным источником нейтронов для компактных мишенных устройств, так как при взаимодействии протонов, а также других заряженных частиц с ядром Be-9 образуются один–два нейтрона. Информацию о конкретных ядерных реакциях с образованием нейтронов можно найти в базе данных EXFOR на сайте МАГАТЭ (https://www-nds. iaea.org/exfor/).

В случае мишени в виде слоя бериллия вычисляли отдельно полный выход нейтронов из слоя, а также выход “вперед”, через переднюю поверхность по направлению пучка протонов. Для слоя бериллия толщиной 0.126 см полный выход нейтронов при энергии протонов Ep = 13 МэВ и выход вперед равны, соответственно, 25 и 19 нейтронов на 104 первичных протонов, или 0.0025n/p и 0.0019n/p.

Энергетические спектры полного выхода нейтронов и выхода вперед для слоя бериллия толщиной 0.126 см согласно коду SHIELD представлены на рис. 1. Данные для мишени в виде слоя бериллия представляют интерес для сравнения с результатами работы [2]. Приведем оценку выхода нейтронов на основе рис. 4 в [2] и сравним с полученными результатами. Исходные данные для сравнения: 1 Кл = 6.24 × 1018 элементарного электрического заряда (каждый протон в пучке несет один элементарный заряд). Размерность оси ординат на рис. 4 в [2] представлена как “Neutron Yield, n/(mC × 10−12)”. При энергии протона 13 МэВ и толщине слоя бериллия в пределах 1–2 мм ордината на рис. 4 [2] составляет 25. Отсюда можно вычислить выход нейтронов NY из слоя бериллия на один протон:

$\begin{gathered} NY = 25{\kern 1pt} {\kern 1pt} \text{[}{n \mathord{\left/ {\vphantom {n {(6.24 \times {{{10}}^{{18}}} \times {{{10}}^{{ - 3}}} \times {{{10}}^{{ - 12}}})}}} \right. \kern-0em} {(6.24 \times {{{10}}^{{18}}} \times {{{10}}^{{ - 3}}} \times {{{10}}^{{ - 12}}})}}] = \\ = ({{25} \mathord{\left/ {\vphantom {{25} {6.24}}} \right. \kern-0em} {6.24}}) \times {{10}^{{ - 3}}}n = 0.004n. \\ \end{gathered} $
Таким образом, выход нейтронов согласно рис. 4 [2] равен 0.004 нейтрона на протон. То есть выход нейтронов согласно [2] равен 0.004n/p и, следовательно, имеет тот же порядок величины, что и в расчетах по коду SHIELD: 0.0025n/p и 0.0019n/p. Различие в величине выхода нейтронов не превышает полутора–двух раз и можно объяснить использованием для расчетов разных транспортных кодов (SHIELD и PHITS), а также деталями задания входных данных для расчета.

Рис. 1.

Полный выход нейтронов (кружки) и выход вперед (точки) из слоя бериллия толщиной 0.126 см при энергии протонов 13 МэВ.

ДРУГИЕ БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ КОНФИГУРАЦИИ МИШЕНИ

Геометрия и химический состав компактной мишени был выбран исходя из понимания задач и целей Проекта DARIA, а также в результате обсуждения с сотрудниками ИЯИ РАН, участвующими в Проекте. Было принято, что габариты компактной мишени не должны превышать 10 см. Была предусмотрена полиэтиленовая оболочка для замедления нейтронов, если требуется, а также толстый слой меди в качестве несущего элемента мишенного устройства и, при необходимости, поглотителя протонов пучка.

Была принята геометрия мишени в виде цилиндра. Диаметр цилиндра 10 см, его высота вдоль оси Z 6 см. Ось Z совпадает с осью точечного пучка протонов с энергией 13 МэВ, который входит непосредственно в слой бериллия (минуя полиэтилен) (рис. 2). Внутри цилиндрической мишени находятся: слой полиэтилена толщиной 1.5 см (плотность 0.78 г/см3), цилиндрический слой бериллия толщиной 0.1 или 0.2 см и радиусом 3.5 см, цилиндрический объем меди толщиной 2.9 или 2.8 см и радиусом 3.5 см. Энергетические спектры выхода нейтронов из мишеней представлены на рис. 3.

Рис. 2.

Конфигурация мишени при толщине слоя Be 1 (а) и 2 мм (б).

Рис. 3.

Спектры выхода нейтронов, соответствующие толщине слоя Be 1 (а) и 2 мм (б), при энергии протонов 13 МэВ. Выходы равны, соответственно, 0.0023 и 0.0026 нейтронов на протон.

Было также вычислено энерговыделение в каждом материале мишени для обоих вариантов конфигурации мишени, показанных на рис. 2. Результаты представлены в табл. 1 и 2. Длина пробега протона Ep = 13 МэВ до остановки в бериллии равна 0.2321 г/см2, или 0.1256 см ([3], стр. 95). Поэтому при толщине слоя бериллия 1 мм часть протонов проходит сквозь бериллий в медь.

Таблица 1.  

Энерговыделение в каждом материале мишени на 104 первичных протонов с энергией 13 МэВ при толщине слоя Be 1 мм

Материал Ионизационные потери, МэВ Ядра отдачи, МэВ Энергия возбуждения, МэВ
CH2N 0.168750 × 102 0 0
Be 0.754683 × 105 0.229731 × 103 0
Cu 0.543181 × 105 0.423659 × 101 0.6632 × 102
Сумма 0.129803 × 106 0.233967 × 103 0.6632 × 102
Таблица 2.  

Энерговыделение в каждом материале мишени на 104 первичных протонов с энергией 13 МэВ при толщине слоя Be 2 мм

Материал Ионизационные потери, МэВ Ядра отдачи, МэВ Энергия возбуждения, МэВ
CH2N 0.225372 × 102 0 0
Be 0.129782 × 106 0.280651 × 103 0
Cu 0 0 0
Сумма 0.129804 × 106 0.280651 × 103 0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено моделирование методом Монте-Карло мишенных устройств Проекта DARIA. Представлены числовые данные о выходе нейтронов для разных конфигураций мишени при энергии протонов Ep = 13 МэВ, а также энергетические спектры нейтронов. Сравнение с данными [2] о выходе нейтронов из тонкого слоя бериллия показывает согласие по порядку величины. Различие в величине выхода не превышает полутора–двух раз и может объясняться использованием для расчетов разных транспортных кодов (SHIELD и PHITS), а также деталями задания входных данных для расчета.

Список литературы

  1. Dementyev A.V., Sobolevsky N.M. // Rad. Measur. 1999. V. 30. Iss. 5. P. 553. https://doi.org/10.1016/S1350-4487(99)00231-0

  2. Subbotina V.V., Pavlov K.A., Kovalenko N.A., Konik P.I., Voronin V.V., Grigoriev S.V. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2021. V. 1008. P. 165462. https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165462

  3. Немец О.Ф., Гофман Ю.В. Справочник по ядерной физике. Киев: Наук. думка, 1975. 416 с.

  4. Соболевский Н.М., Латышева Л.Н., Кузнецов Н.В., Панасюк М.И., Подзолко М.В. // Космические исследования. 2021. Т. 59. С. 306. https://doi.org/10.31857/S0023420621030109

  5. Norbury J.W., Latysheva L., Sobolevsky N. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2019. V. 947. P. 162576. https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.162576

  6. Gavrilov S.A., Latysheva L.N., Lebedev S.G., Sobolevsky N.M., Feschenko A.V. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2018. V. 12. Iss. 5. P. 1041. https://doi.org/10.1134/S1027451018050257

  7. Rybakov A.S., Demikhov E.I., Kostrov E.A., Litvin V.S., Sobolevsky N.M., Latysheva L.N., Borisenko N.G. // Laser Particle Beams. 2019. V. 37. P. 25. https://doi.org/10.1017/S0263034619000077

  8. Latysheva L.N., Sobolevsky N.M., Koptelov E.A., Ilić R.D. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2019. V. 9. P. 1126. https://doi.org/10.1134/S1027451015060142

  9. Titarenko Yu.E., Batyaev V.F., Pavlov K.V. et al. // Atomic En. 2014. V. 117. P. 19. https://doi.org/10.1007/s10512-014-9882-4

  10. Gudowska I., Kempe J., Sobolevsky N. // Rad. Protect. Dosimetry. 2006. V. 122. P. 483. https://doi.org/10.1093/rpd/ncl472

  11. Gudowska I., Kopec M., Sobolevsky N. // Rad. Protect. Dosimetry. 2007. V. 126. P. 652. https://doi.org/10.1093/rpd/ncm132

  12. Norbury J.W., Slaba T.C., Aghara S. et al. // Life Sci. Space Res. 2019. V. 22. P. 98. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2019.07.003

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал