1 / 26

Detektory aktywacyjne w pomiarach widm neutronów z reakcji termojądrowych

Detektory aktywacyjne w pomiarach widm neutronów z reakcji termojądrowych. K. Pytel, R. Prokopowicz. Widma neutronów Aktywacyjne pomiary widm neutronów Przekroje czynne i szybkości reakcji Efekty samoprzesłaniania neutronów Spektrometryczne pomiary aktywności detektorów aktywacyjnych

golda
Download Presentation

Detektory aktywacyjne w pomiarach widm neutronów z reakcji termojądrowych

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Detektory aktywacyjne w pomiarach widm neutronów z reakcji termojądrowych K. Pytel, R. Prokopowicz Widma neutronów Aktywacyjne pomiary widm neutronów Przekroje czynne i szybkości reakcji Efekty samoprzesłaniania neutronów Spektrometryczne pomiary aktywności detektorów aktywacyjnych Dekonwolucja widm neutronowych Dobór zestawu detektorów aktywacyjnych do pomiarów PF

  2. Widma neutronów • Neutrony reaktorowe • termiczne - w równowadze termicznej z moderatorem; energie do kilkuset meV; rozkład Maxwell’a - kTn=0.0253 eV • epitermiczne o energiach od kilkuset meV do kilkuset keV • prędkie (rozszczepieniowe) o średnich energiach rzędu 1  2 MeV; kTn1.29 MeV

  3. Widma neutronów • Neutrony emitowane z reakcji termojadrowych • D-D - 2.45 MeV D-T - 14.1 MeV • w stanie równowagi termodynamicznej z izotropowym rozkładem prędkości reagentów „rozmycie gaussowskie” energii neutronów • w układach PF inne czynniki wpływają na widmo (brak pełnej równowagi, anizotropia)

  4. Widma neutronów • Cel pomiaru widm neutronów • Pełne widmo - weryfikacja obliczeń transportowych, określenie parametrów wejściowych do numerycznego modelowania procesów fizycznych z oddziaływaniem neutronów • Widmo „przetworzone” (najczęściej całkowane z przekrojami czynnymi) - przewidywanie szybkości reakcji, zmian materiałowych (dpa), weryfikacja obliczeń transportowych poprzez porównanie obliczonych i zmierzonych odpowiedzi detektorów • Określenie parametrów widmowych (przesunięcie maksimum na skutek anizotropii w układach PF, poszerzenie dopplerowskie) - diagnostyka procesów, w wyniku których emitowane są neutrony

  5. Widmo energetyczne neutronów: - gęstość strumienia neutronów [n/cm2s] w przedzialeenergii • Zestaw folii aktywacyjnych z różnymi, mikroskopowymi przekrojami czynnymi na reakcje z neutronami • Szybkości reakcji (prawdopodobieństwa, że jądro ulegnie reakcji w jednostce czasu) dla poszczególnych folii: • Na podstawie pomiarów aktywności detektorów określa się eksperymentalne wartości i odtwarza postać widma Aktywacyjne pomiary widm neutronów

  6. Aktywacyjne pomiary widm neutronów • Napromienianie zestawu folii aktywacyjnych • Schładzanie i transport folii do układu pomiarowego • Pomiar aktywności produktów aktywacji • Odtworzenie (dekonwolucja) widma neutronów lub parametrów widmowych

  7. Przekroje czynne i szybkości reakcji • Reakcje jądrowe neutronów: (n,), (n,p), (n,n), (n,), (n,f) i powstawanie izotopów promieniotwórczych, np.: • Poniżej 0.1 MeV w przekrojach czynnych występują izolowane rezonanse • Dla wyższych energii przekroje czynne mają charakter progowy tj. zanikają poniżej pewnej wartości

  8. Efekty samoprzesłaniania neutronów • Pochłanianie neutronów w detektorze powoduje zaburzenie strumienia • W przybliżeniu współczynnik samoprzesłaniania dla pojedynczej folii o makroskopowym przekroju czynnym na pochłanianie : • Dla folii Au o grubości 1 mm i reakcji (n,n) z neutronami 2.45 MeV współczynnik • W przypadku zestawu wielu folii przeprowadza się obliczenia efektu samoprzesłaniania za pomocą kodu MCNP

  9. 2.698 d 70.86 d 1674.7 keV 1087.7 keV 810.8 keV 411.8 keV Spektrometryczne pomiary aktywności • Rozpad promieniotwórczy produktów reakcji, np. : • Efekt samopochłaniania i rozpraszania fotonów w foliach i ich (ewentualnym) opakowaniu - zastosowanie modelowania Monte-Carlo

  10. Spektrometryczne pomiary aktywności • Zastosowanie detektorów germanowych o wysokiej rozdzielczości fotopiku (przykładowe widmo gamma)

  11. Spektrometryczne pomiary aktywności • Zestaw pomiarowy z detektorem HPGe: domek osłonowy analizator naczynie Dewara z ciekłym azotem detektor HPGe

  12. Spektrometryczne pomiary aktywności • Typy detektorów HPGe koaksjalny wnękowy

  13. Dekonwolucja widm neutronowych • Przejście od aktywności folii do szybkości reakcji ; należy uwzględnić: • masy i gęstości folii • czasy napromieniania i schładzania • efekt samoprzesłaniania neutronów w zestawie folii • efekt samopochłaniania fotonów w zestawie • Odtworzenie widma neutronów sprowadza się do „rozwiązania układu N równań”: na „jedną funkcję niewiadomą”

  14. Dekonwolucja widm neutronowych • Standardowe kody do odtwarzania widm neutronowych: • Zalecane stosowanie algorytmów przeznaczonych do danego typu widm; opracowanie nowych (np.: algorytm wariacyjny, zmodyfikowany algorytm kodu SAND - opracowywane w IEA) • Wspomagające obliczenia Monte-Carlo: • SAND-II i zmodyfikowany MSANDB • LSL-M2 (logarytmiczna metoda najmniejszych kwadratów) • STAYNL (liniowa metoda najmniejszych kwadratów) • MIEKEB (fit Monte Carlo) • Jako pierwsze przybliżenie w algorytmach iteracyjnych • Do weryfikacji C/E

  15. Dekonwolucja widm neutronowych • Przykład dekonwolucji widma (w instalacji reaktorowej) za pomocą dwóch różnych algorytmów - brak jednoznacznego rozwiązania

  16. Dekonwolucja widm neutronowych • Możliwości określenia parametrów widmowych układu PF za pomocą detektorów aktywacyjnych • Pik gaussowski, stałe przekroje czynne w obszarze piku - możliwość określenia całkowitej intensywności źródła neutronów (całka pod pikiem) • Przesunięty pik gaussowski, liniowe przekroje czynne - możliwość określenia wielkości przesunięcia

  17. Dekonwolucja widm neutronowych • Pik gaussowski, nieliniowe przekroje czynne - możliwość określenia szerokości połówkowej  kT • Podwójny (wielokrotny) pik gaussowski, co najmniej liniowe przekroje czynne - możliwość określenia udziałów poszczególnych pików (szerokość połówkowa ustalona)

  18. Dekonwolucja widm neutronowych • Weryfikacja widma neutronów, odtworzonego z pomiarów detektorami aktywacyjnymi • Spektrometr TOF (metoda czasu przelotu) na układach PF • Spektrometry TOF i MPR (magnetyczny protonów odrzutu) na JET • Dopasowanie widma: • TH - człon termiczny • ET, HE - 2 składniki epitermiczne • SC - neutrony z rozproszeń

  19. Dekonwolucja widm neutronowych • Źródła błędów • Błędy pomiarowe (statystyka zliczeń, niepewność krzywej wydajności) • Błędy w obliczeniach współczynników samoprzesłaniania neutronów i samopochłaniania fotonów • Niepewności przekrojów czynnych na reakcje jądrowe i parametrów rozpadu promieniotwórczego • Niejednoznaczność procesu dekonwolucji • Wartości C/E (obliczenia wykonywane za pomocą kodu MCNP) dla szeregu detektorów aktywacyjnych, używanych w JET mieszczą się w granicach: 0.5  1.49

  20. Procedura doboru zestawu detektorówdo eksperymentów na PF-1000 Nuklidy promieniotwórcze ↓ Odpowiedni czas połowicznego rozpadu ↓ Odpowiednia energia kwantów g ↓ Powstawanie w wyniku reakcji z neutronami ↓ Wysoki przekrój czynny ↓ Detektory aktywacyjne

  21. Wartości czasu połowicznego rozpadu Transport zaaktywowanych folii do detektora • poczta pneumatyczna czas schładzania ≈ 1sek., czas pomiaru ≈ 5min. T½ od 0,5 sek. do 5 h • brak poczty pneumatycznej ręczne przenoszenie folii do detektora czas schładzania ≈ 40 sek., czas pomiaru ≈ 5 min. T½ od 5 sek. do 5 h • brak poczty pneumatycznej transportowanie folii do odległego detektora (np. w Świerku) czas schładzania ≈ 2 h, czas pomiaru ≈ 10 h T½ od 0,5 h do 5 d

  22. Wydajność detektora germanowego Przykładowa wydajność koaksjalnego detektora germanowego

  23. Przekroje czynne

  24. Ilość emitowanych fotonów przyjęte założenia: Sn = 1011 R = 0,3 m (→ j t = 8,8 106 cm-2) tstrzału → 0 tc = 1 s, 40 s, 2 h; tp = 5 min., 10 h Ilość fotonów o danej energii wyemitowanych z jednostki masy danego pierwiastka w czasie od tc do tp: Ilość zliczeń kwantów g z danego izotopu w detektorze germanowym:

  25. Wytypowane izotopy

  26. Wytypowane izotopy

More Related