Приборы и техника эксперимента, 2020, № 2, стр. 21-27

ВВЕДЕНИЕ

Пассивные дозиметры нейтронов на основе термолюминесцентных детекторов тепловых нейтронов в шаровых или цилиндрических полиэтиленовых замедлителях широко применяются на ядерных установках для измерения амбиентного эквивалента дозы нейтронов. Однако при использовании таких дозиметров за защитами высокоэнергетических ускорителей недостатком их является низкая чувствительность к нейтронам с энергией выше 20 МэВ, что может приводить к значительной недооценке дозы нейтронов [1].

В данной работе описана конструкция пассивного дозиметра нейтронов (п.д.н.) с комбинированным замедлителем, применение которого позволяет устранить указанный выше недостаток и расширить энергетический диапазон дозиметра. Комбинированный замедлитель содержит свинцовую вставку и кадмиевый фильтр внутри полиэтиленового замедлителя. Свинцовый конвертер, предложенный впервые в работе [2], повышает чувствительность дозиметра к высокоэнергетическим нейтронам за счет размножения нейтронов в реакциях (n, 2n), (n, 3n) и т.д. Кадмиевый фильтр выравнивает энергетическую зависимость чувствительности в низкоэнергетической области.

В качестве детектора тепловых нейтронов аналогично низкоэнергетическому пассивному дозиметру эффективной дозы (д.э.д.) нейтронов [3] применен слайд индивидуального дозиметра ДВГН-01 [4], содержащий термолюминесцентные детекторы ⁷LiF и ⁶LiF, что позволило использовать стандартную калибровку и обсчет детекторов на автоматизированном комплексе АКИДК-301 [5]. Конструкция дозиметра была оптимизирована на основе расчетов по программам [6, 7]. Изготовлены опытные образцы п.д.н. и проведены измерения в низкоэнергетических опорных полях нейтронов и высокоэнергетических полях за защитой ускорителя У-70 ИФВЭ на 70 ГэВ. Проведено сравнение результатов с расчетными данными и экспериментальными результатами, полученными с помощью д.э.д.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ФУНКЦИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ П.Д.Н.

За основу конструкции п.д.н. был принят один из вариантов конструкции активного дозиметра нейтронов для высокоэнергетических ускорителей [8]. Выбран наиболее технологичный вариант полиэтиленового замедлителя в виде усеченного цилиндра, торцы которого срезаны коническими поверхностями под углом 45°. Такая конструкция обеспечивает минимальную анизотропию чувствительности. Оптимальные размеры усеченного цилиндра: высота и диаметр равны 22.4 см. Внешние размеры цилиндрической свинцовой вставки составляют Ø10 × 10 см, ее толщина 8 мм. Вместо борного фильтра [8] использован кадмиевый фильтр толщиной 0.5 мм с площадью перфорации 28%.

Схематическое изображение конструкции п.д.н. представлено на рис. 1. Внешний полиэтиленовый замедлитель дозиметра состоит из верхней и нижней частей в виде усеченных конусов и центральной цилиндрической части. Внутри внешнего замедлителя размещены свинцовый конвертер, кадмиевый фильтр, внутренний полиэтиленовый замедлитель и цилиндрическая полиэтиленовая вставка диаметром 28 мм с полостью для слайда ДВГН-01. Вся конструкция скреплена четырьмя полиэтиленовыми болтами. Масса п.д.н. со стальной ручкой для переноски дозиметра и тремя дюралюминиевыми ножками составляет менее 10 кг.

Рис. 1.

Схематическое изображение конструкции п.д.н. в разрезе.

Слайд ДВГН-01 содержит термолюминесцентные детекторы ⁷LiF и ⁶LiF. Первый из них регистрирует только γ-кванты и заряженные частицы, второй – те же частицы и нейтроны. Отклик ДВГН-01 к нейтронам определяется по разности показаний детекторов. Расчеты функции чувствительности (ф.ч.) при изотропном облучении п.д.н. нейтронами проводились по программам [6, 7]. Методика расчета для пары детекторов ⁶LiF–⁷LiF описана в работе [4]. Полученная ф.ч. ${{R}_{c}}{\text{(}}E{\text{)}}$ для описанной выше конструкции п.д.н. в единицах (n, α)-реакций в детекторе ⁶LiF на единичный флюенс нейтронов показана на рис. 2. Здесь же приведена ф.ч. д.э.д., рассчитанная по программам [6, 7], и даны энергетические зависимости удельных амбиентного ($h{\text{*}}(10)$ [9, 10]) и индивидуального (${{h}_{p}}{\text{(}}10,0^\circ {\text{)}}$ [9]) эквивалентов дозы нейтронов.

Рис. 2.

Энергетические зависимости: чувствительности ${{R}_{c}}$ п.д.н. и д.э.д. при изотропном облучении; ф.ч. ${{R}_{{{\text{AP}}}}}$ при направленном облучении слайда в кассете ДВГН-01 на плоском фантоме из оргстекла; удельных амбиентного $h{\text{*(}}10{\text{)}}$ и индивидуального ${{h}_{p}}{\text{(}}10,0^\circ {\text{)}}$ эквивалентов дозы нейтронов [9, 10].

Дозиметр эффективной дозы представляет собой слайд ДВГН-01, размещенный в центре шарового полиэтиленового замедлителя диаметром 25.4 см. Чувствительность п.д.н. к тепловым и промежуточным нейтронам по отношению к чувствительности д.э.д. до четырех раз ниже, к быстрым – в полтора раза ниже, а к высокоэнергетическим – до десяти раз выше. Различие ф.ч. п.д.н. и д.э.д. при высоких энергиях обусловлено влиянием свинцового конвертера, а при низких энергиях – поглощением тепловых нейтронов кадмиевым фильтром п.д.н. Несмотря на то что последний снижает чувствительность п.д.н., его применение позволяет значительно уменьшить разброс дозовой чувствительности в различных нейтронных спектрах, а также размеры и массу прибора.

ГРАДУИРОВОЧНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ П.Д.Н. И Д.Э.Д. В ПОЛЯХ НЕЙТРОНОВ С ПРОТЯЖЕННЫМИ СПЕКТРАМИ

Процедура оптимизации конструкции п.д.н. включала в себя свертку ф.ч. ${{R}_{c}}{\text{(}}E{\text{)}}$ со спектрами ${{\varphi }_{i}}{\text{(}}E{\text{)}}$ из имеющейся у нас библиотеки нейтронных спектров и расчет градуировочных коэффициентов $c_{i}^{*}$ п.д.н. для этих спектров:

Здесь ${{H}_{{ci}}}$ – показание слайда в единицах индивидуального эквивалента дозы нейтронов ${{H}_{p}}{\text{(}}10,0^\circ {\text{)}}$ для спектра ${{\varphi }_{i}}{\text{(}}E{\text{)}}$, а ${{\varphi }_{{{\text{гр}}}}}{\text{(}}E{\text{)}}$ – спектр нейтронов [11] установки УКПН-1М с источником ²³⁹Pu–Ве, используемой в ИФВЭ для градуировки и поверки дозиметрических приборов.

Градуировочный коэффициент с по индивидуальному эквиваленту дозы нейтронов рассчитывался для условий стандартной градуировки слайдов в кассете ДВГН-01 на плоскопараллельном фантоме из оргстекла с размерами 30 × 30 × 15 см в поле нейтронов установки УКПН-1М. Энергетическая зависимость чувствительности при передне-задней (anterior-posterior) геометрии облучения R_AP(E) для условий градуировки рассчитана в настоящей работе по программе [6] и приведена на рис. 2.

Библиотека нейтронных спектров включает в себя низкоэнергетические спектры за защитами реакторов, фильтрованные и нефильтрованные спектры радионуклидных источников, а также высокоэнергетические спектры за защитами ускорителей. Не использовались спектры за стальными защитами, не характерными для условий работы персонала.

Оптимальные параметры конструкции п.д.н., включающие в себя внешние размеры полиэтиленового замедлителя, внешние размеры и толщину свинцового конвертера, а также площадь перфорации кадмиевого фильтра, выбирались из условия минимального разброса градуировочных коэффициентов $c_{i}^{*}$ для спектров со средними энергиями надкадмиевых нейтронов 0.1–60 МэВ. Результаты расчета градуировочных коэффициентов для описанной выше конструкции п.д.н. с функцией чувствительности R_c(E) (рис. 2) приведены на рис. 3 в зависимости от средней энергии спектра. Там же показаны рассчитанные в настоящей работе значения $c_{i}^{*}$ для д.э.д.

Рис. 3.

Градуировочные коэффициенты д.э.д. (1) и п.д.н. (2) в зависимости от средней энергии спектра нейтронов: светлые точки – расчетные значения, сплошные и штриховые линии – средние величины с коридором неопределенностей; черные точки – экспериментальные значения $c_{i}^{*}$ в опорных полях ОП-2017.

Результаты для средней энергии >5 МэВ соответствуют высокоэнергетическим спектрам за защитой ускорителей, остальные данные – низкоэнергетические спектры. Среднее значение $\bar {c}{\text{*}}$ для д.э.д. в низкоэнергетических спектрах равно 0.53, разброс относительно среднего составляет ±15% (σ = 7.5%). В высокоэнергетических полях нейтронов значения $c_{i}^{*}$ систематически возрастают с ростом средней энергии спектра нейтронов, так как дозовая чувствительность д.э.д. падает. Среднее значение $\bar {c}{\text{*}}$ для п.д.н. равно 0.82 с разбросом ±10% во всем диапазоне энергий. Уменьшение разброса чувствительности п.д.н. по сравнению с д.э.д. для низкоэнергетических спектров достигается за счет применения кадмиевого фильтра, а для высокоэнергетических – благодаря свинцовому конвертеру.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ П.Д.Н. И Д.Э.Д. В ОПОРНЫХ ПОЛЯХ НЕЙТРОНОВ ОП-2017 И АНИЗОТРОПИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ П.Д.Н.

Для проверки расчетных данных, приведенных на рис. 3, была измерена чувствительность п.д.н. и д.э.д. в опорных полях нейтронов ОП-2017 ИФВЭ [11] на основе радионуклидного источника ²³⁹Pu–Be. Источник размещали со стороны боковой поверхности п.д.н., слайд – перпендикулярно пучку, а детекторы – перед никелевой подложкой термолюминесцентных детекторов (стандартное облучение). Расстояние между центрами источника и детектора составляло 1 м во всех случаях, кроме поля № 4. Результаты измерений представлены на рис. 3 и в табл. 1 в виде градуировочных коэффициентов $c_{i}^{*}$ = = $H_{i}^{*}{\text{(}}10{\text{)/}}{{H}_{{ci}}}$. Значения мощности амбиентного эквивалента дозы взяты по данным работы [11], полученным с помощью спектрометра Боннера, градуированного в поле № 2.

В качестве погрешностей результатов приводятся среднеквадратичные отклонения значений $c_{i}^{*}$, которые рассчитывались с учетом основной погрешности измерений ${{H}_{{ci}}}$ на АКИДК-301 (σ = 7.5%) и погрешностей амбиентного эквивалента дозы $H_{i}^{*}{\text{(}}10{\text{)}}$. Последняя составляла 5% в поле № 2 по данным поверки [12], в остальных полях – от 6.9% до 7.8% по результатам измерений спектрометром Боннера [11].

Экспериментальные данные для д.э.д. и п.д.н. находятся в пределах коридоров расчетных значений для разных спектров. Результаты измерений $c{\text{*}}$ в градуировочном поле УКПН-1М (№ 2) близки к средним расчетным величинам. Полученные экспериментальные значения ($c_{{{\text{дэд}}}}^{*} = 0.51$ и $c_{{{\text{пдн}}}}^{*}$ = = 0.83) использовались далее в расчетах амбиентного эквивалента дозы нейтронов по показаниям д.э.д. и п.д.н. за защитой ускорителя: $H{\text{*(}}10{\text{)}}$ = c*H_c.

В поле УКПН-1М была проверена также анизотропия дозовой чувствительности п.д.н. при облучении в различных положениях относительно стандартного. Выполнено: 1) облучение сбоку, слайд расположен перпендикулярно пучку с детекторами за никелевой подложкой; 2) облучение сбоку, слайд расположен параллельно пучку. Кроме экспозиций со стороны боковой поверхности п.д.н., проведены также облучения: 3) сверху и 4) снизу. В этих случаях ориентация слайда не имеет значения из-за аксиальной симметрии. Результаты измерений приведены в табл. 2. Результаты, полученные в первых трех положениях, согласуются с данными для стандартного положения в пределах 1%. При облучении снизу дозовая чувствительность на 7% ниже. Это отклонение находится, однако, в пределах погрешности измерений.

Таблица 2.

Дозовая чувствительность п.д.н. ${{r}_{i}}^{*} = {{H}_{{ci}}}{\text{/}}{{H}_{i}}^{*}\left( {10} \right)$ при облучении в поле УКПН-1М при различных положениях относительно стандартного (облучение сбоку, детекторы перед подложкой)

Условия облучения	Схема относительного расположения источника (*) и слайда в п.д.н.	$r_{i}^{*}{\text{/}}r_{0}^{*}$
Стандартное облучение
Облучение сбоку, детекторы за подложкой		1.01
Облучение сбоку, слайд параллельно пучку		0.99
Облучение сверху		0.99
Облучение снизу		0.93

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ П.Д.Н. И Д.Э.Д. ЗА ЗАЩИТОЙ ПРОТОННОГО СИНХРОТРОНА ИФВЭ У-70

Сравнительные измерения с помощью п.д.н. и д.э.д. проводились, как правило, при одновременном облучении дозиметров на подставках высотой 1 м на расстояниях ~0.5 м друг от друга и ~1 м от ближайшего радиационного монитора, находившегося на полу. Последний представляет собой стационарный детектор нейтронов автоматизированной системы радиационного контроля ИФВЭ. Измерения проводились в экспериментальном зале 1БВ. Расположение точек измерения показано на рис. 4. Точки измерения были разделены на три группы: 1) верхняя защита; 2) боковая защита; 3) временный радиобиологический стенд. Полученные значения амбиентного эквивалента дозы нейтронов $H{\text{*(}}10{\text{)}}$ по показаниям д.э.д. и п.д.н. приведены в табл. 3. В последней колонке таблицы представлены отношения значений $H{\text{*(}}10{\text{)}}$, измеренных двумя дозиметрами. Эти отношения служат характеристикой жесткости спектра нейтронов, которая обсуждается ниже.

Рис. 4.

Схема размещения стационарных радиационных мониторов (номера радиационных мониторов указаны в кружках) вблизи точек измерения п.д.н. и д.э.д. в экспериментальном зале 1БВ. Справа показано расположение мишеней 24 и 27.

Точка РМ-58 за верхней защитой представляет для нас особый интерес, так как при работе внутренних бериллиевых мишеней 24 и 27 кольцевого зала У-70 она является мощным источником высокоэнергетических нейтронов со стабильными характеристиками. В этой точке были проведены два сравнительных измерения д.э.д. и п.д.н.: а) при одновременном облучении и б) при раздельном облучении с мониторированием по показаниям радиационного монитора. Полученные значения жесткости спектра практически одинаковы в обоих случаях, среднее значение равно η = ${{H_{{{\text{пдн}}}}^{*}} \mathord{\left/ {\vphantom {{H_{{{\text{пдн}}}}^{*}} {H_{{{\text{дэд}}}}^{*}}}} \right. \kern-0em} {H_{{{\text{дэд}}}}^{*}}}$ = 1.52.

В работе [1] вблизи точки РМ-58 в тех же условиях работающих мишеней 24 и 27 измерен спектр нейтронов с помощью индиевого спектрометра Боннера и углеродного активационного детектора и рассмотрены перспективы использования этого поля в качестве высокоэнергетического опорного поля нейтронного излучения. Согласно полученным из спектра данным, вклад высокоэнергетических нейтронов с Е > 20 МэВ в амбиентный эквивалент дозы нейтронов составляет более половины (56%). Рассчитанное по спектру отношение амбиентных доз по показаниям рассматриваемых дозиметров равно η = 1.54, что близко к результатам измерений (см. табл. 3).

В той же точке РМ-58 проведены измерения при одной работающей мишени 27. В этом случае параметр жесткости спектра нейтронов снижен до 1.38. Возможным объяснением может быть то, что мишень 27 находится значительно ближе к РМ-58, чем мишень 24. Угол между пучком протонов и направлением от мишени 27 к точке измерения при этом гораздо больше, чем в случае мишени 24. Наиболее жесткий компонент излучения имеет выраженную направленность под малыми углами к пучку, что может обусловливать более жесткий спектр нейтронов от мишени 24 по сравнению с мишенью 27.

Отношение доз ${{H_{{{\text{пдн}}}}^{*}} \mathord{\left/ {\vphantom {{H_{{{\text{пдн}}}}^{*}} {H_{{{\text{дэд}}}}^{*}}}} \right. \kern-0em} {H_{{{\text{дэд}}}}^{*}}}$ в точке РМ-57 при работе внутренних мишеней 24 и 27 равно 1.61, что несколько больше соответствующей величины для точки РМ-58. В случае одной работающей мишени 27 жесткость спектра также немного больше, чем в точке РМ-58 при тех же условиях. Это можно объяснить тем, что расстояние от мишени 27 до РМ-57 на 22 м больше, чем до РМ-58, в связи с чем углы между пучком протонов и направлениями от мишеней в точке РМ-57 меньше, чем в точке РМ-58. Наиболее жесткий спектр с параметром η = 1.65 за верхней защитой наблюдается в точке РМ-42 в начале канала № 8.

Самый мягкий спектр нейтронов формируется в точке РМ-1 вблизи входа в кольцевой зал ускорителя, представляющего собой транспортный лабиринт, генерирующий спектр многократно рассеянных нейтронов с большим вкладом тепловых нейтронов. В этой точке п.д.н., по-видимому, занижает амбиентную дозу нейтронов. В точке РМ-68 с противоположной от РМ-1 стороны боковой защиты дозы по показаниям двух дозиметров близки друг к другу, что свидетельствует о малом вкладе высокоэнергетических нейтронов. Более жесткий спектр в точке РМ-66 с параметром η = 1.35 объясняется, по нашему мнению, тем, что эта точка находится над открытым каналом № 2, через который от мишеней проникают высокоэнергетические частицы.

Временный радиобиологический стенд создан для изучения биологического действия ионов углерода. Измерения с помощью д.э.д. и п.д.н. проводились под двумя углами к пучку при облучении водного фантома полного поглощения ядрами углерода с энергией 450 МэВ/нуклон. Под углом 30° наблюдается максимальное значение параметра жесткости спектра: η = 2.05. Спектр нейтронов под углом 90° значительно мягче, о чем свидетельствует величина параметра η = 1.35. Нужно отметить, что условия облучения на стенде отличались от других точек отсутствием биологической защиты между источником нейтронов и точкой измерения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пассивный дозиметр нейтронов для высокоэнергетических ускорителей разработан на основе оптимизационных расчетов энергетической зависимости чувствительности дозиметра и его чувствительности в полях нейтронов с протяженными спектрами. Расчетные данные для п.д.н. даны в сравнении с аналогичными результатами для низкоэнергетического пассивного д.э.д. нейтронов.

Измерения в опорных полях нейтронов ОП-2017 показали удовлетворительное согласие с расчетными результатами. Установлены значения градуировочных коэффициентов для п.д.н. и д.э.д., которые использовались далее для определения амбиентного эквивалента дозы нейтронов по показаниям дозиметров. Сравнительные экспериментальные исследования дозиметров проводились за верхней и боковой защитами протонного синхротрона У-70 ИФВЭ, а также на временном радиобиологическом стенде.

Диапазон параметра жесткости спектра нейтронов $\eta = {{H_{{{\text{пдн}}}}^{*}} \mathord{\left/ {\vphantom {{H_{{{\text{пдн}}}}^{*}} {H_{{{\text{дэд}}}}^{*}}}} \right. \kern-0em} {H_{{{\text{дэд}}}}^{*}}}$ составил 0.83–1.35 за боковой защитой, 1.38–1.65 за верхней защитой и 1.35–2.05 на временном радиобиологическом стенде. Полученные результаты позволяют сделать практические выводы относительно условий использования п.д.н. и д.э.д. за защитой У-70. Пассивный дозиметр нейтронов необходимо применять при измерениях за верхней защитой и в зонах каналов вывода вторичных частиц за боковой защитой. В условиях мягких спектров за боковой защитой низкоэнергетический д.э.д. дает адекватную оценку амбиентного эквивалента дозы нейтронов.

Кроме У-70, п.д.н. и д.э.д. предполагается использовать также для мониторирования полей излучения циклотрона С-70 строящегося Радиоизотопного центра ядерной медицины [13].