Detektory aktywacyjne w pomiarach widm neutronów z reakcji termojądrowych

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