23319

СОСТАВ НЕЙТРОННОЙ ДОЗЫ В ВЕЩЕСТВЕ И ФАКТОР НАКОПЛЕНИЯЯ НЕЙТРОНОВ

Лабораторная работа

Физика

Широко применяемые в реакторной технике активационные детекторы вносят минимальные возмущения в измеряемую величину плотности потока нейтронов и поэтому обладают наибольшей точностью по сравнению с другими методами. В частности последнее имеет важное значение при определении как общей так и парциальной дозы нейтронов в веществе. Целью работы является освоение основ методики экспериментального определения плотностей потоков быстрых резонансных и тепловых нейтронов с помощью индиевых детекторовфольг в водородсодержащей среде парафин и...

Русский

2013-08-04

144.5 KB

12 чел.

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Физико-технический факультет

Кафедра 21

СОСТАВ НЕЙТРОННОЙ ДОЗЫ В ВЕЩЕСТВЕ И ФАКТОР НАКОПЛЕНИЯЯ НЕЙТРОНОВ

Методические  указания

к  лабораторной  работе

Томск – 2002

ВВЕДЕНИЕ

В настоящей лабораторной работе представлен лабораторный метод исследования дозовых нейтронных полей с помощью активационных детекторов. Широко применяемые в реакторной технике, активационные детекторы вносят минимальные возмущения в измеряемую величину плотности потока нейтронов и поэтому обладают наибольшей точностью, по сравнению с другими методами. В частности, последнее имеет важное значение при определении как общей, так и парциальной дозы нейтронов в веществе. Следуя сказанному, данная лабораторная работа является неотъемлемой частью курса «Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений ядерных реакторов».

 

Целью работы является  освоение основ методики экспериментального определения плотностей потоков быстрых, резонансных и тепловых нейтронов с помощью индиевых детекторов-фольг в водородсодержащей среде (парафин) и использование полученных результатов для расчётов доз нейтронов и дозового фактора накопления подпороговых нейтронов.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для решения большинства задач физики реактора, дозиметрии и т.д. необходимо знать дозовый состав нейтронов в различных средах (вклад нейтронов различных энергетических групп в мощность дозы на различных расстояниях r от источника в среде). При решении задач физики защиты от излучений принято целесообразным /1/ выделять следующие энергетические группы нейтронов:

тепловые -  Е < 1 эВ i = 1

медленные -  1 эВ  Е < 10 эВ i = 2

промежуточные -  100 эВ  Е < Егр i = 3

быстрые - Е Егр i = 4.

Значение граничной энергии между нейтронами быстрой и промежуточной групп Егр обычно варьируется в пределах 0,52,0 МэВ.

Дозовый состав нейтронов определяется исходя из данных о пространственно-энергетическом распределении нейтронов в среде . Для i энергетической группы с границами Ei.ниж и Ei.верх мощность дозы рассчитывается по формуле

, (1)

где  - коэффициент перевода плотности потока нейтронов в мощность дозы /2/.

Полная мощность дозы вычисляется как сумма групповых

. (2)

Плотность потока нейтронов можно находить экспериментально по активности насыщения радиационного индикатора (детектора), размещаемого вблизи точки среды с координатой .

Если обеспечить избирательность поглощения нейтронов детектором, то среднее значение плотности потока  i-ой энергетической группы можно оценить из соотношения

, (3)

где ASi  - активность насыщения (с-1),  S – площадь детектора (фольги),  d – толщина фольги,  N – ядерная концентрация, ai – сечение поглощения i-ой группы нейтронов.

Вклад тепловых нейтронов в общую активность можно выделить, облучая детектор с защитой от тепловых нейтронов в виде кадмиевого экрана. Отношение активности, наводимой без кадмия (А0) к активности, наводимой при наличии калмиевой защиты (Acd), называют кадмиевым отношением (R):

. (4)

Если представить общую активность

, (5)

то активность, обусловленную только тепловыми нейтронами, можно найти из

. (6)

При определении мощности дозы по всем нейтронам () часто применяется методика расчёта, основанная на понятии дозового фактора накопления нейтронов /1/. В соответствии с этой методикой мощность дозы нейтронов определяется по формуле

 

и вычисление выполняется в следующей последовательности. Сначала экспериментально определяют мошность дозы быстрых нейтронов  с энергией, большей некоторой граничной Егр. Затем выбирают дозовый фактор накопления  с учётом энергетического состава быстрых нейтронов (т.е.  Е Егр). Дозовый фактор накопления нейтронов является сложной функцией ядерно-физических свойств материалов защиты и их компоновки. В общем случае:

, (7)

где  - дозовый коэффициент, см. Приложение 1. Отсюда можно получить:

,

где  - мощность дозы промежуточных и тепловых нейтронов.

Вопросы радиометрии нейтронного излучения экранированными активационными детекторами более подробно рассмотрены в /3/.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Активационные детекторы (фольги из индия) облучаются на расстоянии R от источника нейтронов в водородосодержащей среде (парафин).

                                                                              

Рис. 1.

Геометрия опыта

                                               R

 

Применяются:    а) открытые фольги,

б) фольги в чехлах из кадмия,

в) фольги с двойной защитой:  из кадмия и индия.

                                                                              In-детектор                                 In-детектор

                                   In                                                                                                  

                                                                     Cd                                                     In

                                                                                                                    

                                                                                                                    Cd

              а)                                  б)                                    в)

Рис.2.  Способы формирования чистых и экранированных детекторов

Свойства индия приведены в работе /3/.

Время облучения должно составлять не менее 6 часов.

Поскольку индий является бета-изпучателем, активность облучённых рабочих фольг определяется с помощью счётчика бета-частиц. Счётчик размещён  в  свинцовом  домике  и  питается от блока высокого напряжения (U = 600 в). Сигнал выведен на частотомер с цифровой индикацией. Правила работы с прибором приводятся в его описании.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Рабочие фольги облучаются на расстоянии 10 см от источника. Время облучения t0 > 6 часов.

2. Облучённые фольги поочерёдно или одновременно вынимаются из облучателя и с помощью бета-счётчика находится активность каждой из них. При этом фиксируется время выдержки tв - время, прошедшее с момента выемки до момента начала счёта, и время счёта tс - время, в течение которого обсчитывается фольга. Данные заносятся в таблицу.

Таблица 1.

Данные наблюдений

Название позиции

Сечения активации, барн

№ фольги

tв

tс

Активность А,    имп/с

Активность насыщения АS ,    имп/с

а) открытие фольги

145,0

1

2

3

б) фольги в чехлах из кадмия

2640,0

1

2

3

в) фольги с двойной защитой

10,0

1

2

3

3. По найденной текущей активности А рассчитывается активность насыщения АS  фольги и заносится в табл.1

.

4. Расчёт плотности потока быстрых нейтронов выполняют по формуле (3), т.е.

,

где  б – сечение активации, см2; N – ядерная концентрация индия; S – площадь фольги;  - эффективность счётчика (1,0); d – оптическая толщина фольги. Оптическая толщина фольги должна быть рассчитана по формуле

, см,

здесь Р – вес фольги, г (указан на чехле); S – площадь фольги, см2; - удельный вес индия, равный 7,28 г/см3.

5. Расчёт плотности потока тепловых нейтронов ведут с использованием кадмиевого отношения, формулы (4), (5), (6).

6. Если из активности насыщения фольг, облучённых в чехлах из кадмия, вычесть активность насыщения фольг, облучённых в комплекте чехлов из индия и кадмия, получим активность, обусловленную резонансными нейтронами АSрез. Тогда плотность потока резонансных нейтронов будет:

 .

7. По найденным ФТ, Фрезб с помощью формул (1), (2) рассчитаем состав нейтронной дозы в полиэтилене. Данные заносятся в табл.2.

Таблица 2.

Дозовый состав потока нейтронов в полиэтилене.

Нейтроны

Поток, 1/см2с

F, 10-9 бэр/см-2

, бэр/с

Вклад, %

Тепловые

1,0

Резонансные

1,5

Быстрые

38,0

Всего:

-

-

100%

8. Дозовый фактор накопления нейтронов в полиэтилене определяется по формуле (7).

9. Данные по дозовому составу и фактору накопления необходимо сравнить с табличными.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

  1.  Измерить фоновую скорость счёта.
  2.  Рассчитать плотности потока тепловых, резонансных и быстрых нейтронов в водородосодержащей среде.
  3.  Рассчитать величину дозового фактора накопления.
  4.  Рассчитать погрешности всех результатов.
  5.  Составить отчёт о выполненной работе.

  1.  ЭЛЕМЕНТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

  1.  Определить основные источники и типы погрешностей при использовании активационных детекторов и предложить пути их уменьшения.
  2.  Рассмотреть полную схему распада радиоактивных изотопов индия, предложить и обосновать методику повышения точности измерений.
  3.  Рассмотреть и обосновать зависимость фактора накопления от расстояния в парафине.

  1.  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Как рассчитать парциальную и полную поглощённую дозу по нейтронам?
  2.  Что такое фактор накопления нейтронов?
  3.  От чего зависит фактор накопления нейтронов?
  4.  Как ведёт себя фактор накопления в воде, графите, тяжёлых материалах?
  5.  Что такое кадмиевое отношение, кадмиевая граница, надкадмиевые нейтроны?
  6.  Как Вы представляете себе биологическую защиту от нейтронов спектра деления?

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Инженерный расчёт защиты атомных электростанций. Под ред. А.П.Весёлкина и Ю.А.Егорова, - М.: Атомиздат, 1976.
  2.  Кимель Л.Р., Машкович В.П.. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. - М.: Атомиздат, 1972.
  3.  Андреев О.В. Активационная радиометрия нейтронных полей. Учебное пособие. Томск, 1988.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Дозовые характеристики моноэнергетических нейтронов

Энергия нейтронов Еп, МэВ

н

Удельная d, 10-15 Звм2/нейтр

Флюенс Ф, 1013нейтр/м2, создающий Зв

104 нейтр/(м2с)

Коэффициент качества

k

Коэффициент изотропности J

Тепловые

0,91

5,0

770

2,8

6

110-7

0,91

5,0

770

2,8

6

110-6

2,1

2,4

330

2,8

5

110-4

1,1

2,4

330

2,8

5

510-3

1,6

3,1

430

2,5

6

210-2

1,7

2,9

400

2,7

5

110-1

8,2

0,61

84

9,0

3

510-1

0,26

0,19

27

12

2,2

1

0,37

0,13

19

12

2,2

2,5

0,43

0,12

16

10

1,5

5

0,43

0,12

6

8,4

1,6

10

0,50

0,10

14

6,7

1,7

20

0,63

0,079

11

8,0

2,5


ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Вклад в полную мощность эквивалентной дозы Н нейтронов различных энергетических групп ni (%) и дозовый коэффициент накопления подпороговых нейтронов kд (d, Епор) для различных сред.

Материал

Плотность, г/см3

Е0, МэВ

Толщина защиты, см

ni,%, для разных энергетических групп нейтронов при различных Егр

Тепловые (Е1эВ)

Медленные (1эВ<E

102эВ)

Егр= 0,5 МэВ

Егр= 1,0 МэВ

Егр= 1,5 МэВ

Егр= 2 МэВ

kд (d, Епор= 2МэВ)

Промежуточные (102эВ<<ЕЕuh)

Быстрые (Е>Еuh)

Промежуточные (102эВ<<ЕЕuh)

Быстрые (Е>Еuh)

Промежуточные (102эВ<<ЕЕuh)

Быстрые (Е>Еuh)

Промежуточные (102эВ<<ЕЕuh)

Быстрые (Е>Еuh)

Вода

1,0

Нейтроны спектра деления

30-120

6,5

0,5

7,5

85,5

16

77

33

60

38

55

1,8

2

30-120

15

1

17

67

38

46

56

28

4

30-120

8

1

10

81

22

69

35

56

45

46

2,2

6

30-120

6,4

0,6

8

85

18

75

28

65

35

58

1,7

8

30-120

6

0,5

7

86,5

14,5

79

22

71,5

29

64,5

1,6

10

30-120

5

0,4

6

89

13

82

20

75

25

70

1,4

14

30-120

2,7

0,3

4

93

10

87

15

82

18

79

1,3

Po--Be

30-120

7,4

0,6

7,4

84,6

16

76

24

68

31

61

1,6

Ra--Be

Pu--Be

Углерод

1,67

Нейтроны спектра деления

60 г/см2

89

1

3

7

5

5

7

3

8,5

1,5

67

Бериллий

-

То же

60 г/см2

Не оценен

0,4

3

96

13

86

34

65

57

42

2,4

Бетон

2,3

То же

50

20

4

29

47

50

26

62

14

-

-

-

Железо

7,8

То же

>90

-

7

93

-

93

-

93

-

93

-

-


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11478. КУЛЬТУРА І ПОЛІТИКА 182.5 KB
  Лекція 13. КУЛЬТУРА І ПОЛІТИКА Політична культура являє собою динамічну та водночас відносно усталену систему політичних цінностей та орієнтацій моделей поведінки характерних для певної держави суспільства цивілізації. Від її стану харак
11479. ХУДОЖНЯ КУЛЬТУРА ПЕРШОЇ ПОЛОВИНИ XX ст.: АВАНГАРДНІ СТИЛІ ТА НАПРЯМИ 314.5 KB
  Лекція 14.ХУДОЖНЯ КУЛЬТУРА ПЕРШОЇ ПОЛОВИНИ XX ст.: АВАНГАРДНІ СТИЛІ ТА НАПРЯМИ Проблема сприйняття та розуміння художнього авангарду Новий зміст у традиційній мистецькій формі фовізм кубізм експресіонізм супрематизм Становлення нових форм мистецтва: футуризм ...
11480. ХУДОЖНЯ КУЛЬТУРА ДРУГОЇ ПОЛОВИНИ XX ст 159.5 KB
  Лекція 15. ХУДОЖНЯ КУЛЬТУРА ДРУГОЇ ПОЛОВИНИ XX ст. Термінологічна картина художнього авангарду Візуальні та інформаційні мистецтва: гіперреалізм концептуалізм бодіарт лендарт та ін. Акціонізм хепенінг перформанс рольова гра За відомим виразом ми живе
11481. ІДЕЯ РІВНОПРАВНОСТІ КУЛЬТУР У СУЧАСНОМУ СВІТІ 556 KB
  Лекція 16. ІДЕЯ РІВНОПРАВНОСТІ КУЛЬТУР У СУЧАСНОМУ СВІТІ Ідея про рівноправність культур формується на Заході починаючи з античної культури у безпосередньому звязку з розвитком поняття про Закон і його роль в суспільстві. Антична Греція як країна класичної демократі
11482. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРО-ПРОВОДНОСТИ 113 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ Цель работы: Изучение нестационарных тепловых полей в биологических тканях. Тепл
11483. Розвиток глобальної соціології 62 KB
  Основними наслідками процесу глобалізації є розподіл праці, міграція в масштабах усієї планети капіталу, людських та виробничих ресурсів, зближення культур різних країн. В результаті глобалізації світ стає більш залежним від всіх його суб’єктів.
11484. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ЗАЩИТЫ БИООБЬЕКТОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 64.5 KB
  Инженерно-технические методы и средства защиты от отрицательного воздействия на биообъекты (в первую очередь человека) электромагнитных полей направлены на прямое снижение интенсивности поля до допустимого уровня. Защита осуществляется либо за счет изменения пространственного распределения электромагнитного поля (например, за счет использования рельефа местности и лесопосадок), либо с использованием различных экранов. В последнем случае, наиболее используемым на практике
11485. ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ 48.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ Цель работы: Изучение механизмов взаимодействия ультразвуковых волн с биологическими объектами. Ультразвук находит широкое применив в современных медицинских приборах и аппаратах ...
11486. Исследование неразветвленной электрической цепи синусоидального тока 39.83 KB
  6 Лабораторная работа №1. Исследование неразветвленной электрической цепи синусоидального тока. Цель работы: Экспериментальное и теоретическое исследование цепи с последовательным соединением резистора катушки индуктивности и конденсатора изучение...