«РОСАТОМ» / АО «ГНЦ РФ – ФЭИ»

Отделение перспективных исследований

От фундаментальных исследований к инновационным технологиям.

Спектрометрия быстрых нейтронов методом времени пролета

Закажите услугу

Одним из наиболее точных методов спектрометрии нейтронного излучения в широком диапазоне энергий является метод времени пролета. С его помощью можно детально анализировать форму спектра нейтронов. Поэтому спектрометрия быстрых нейтронов методом времени пролета применяется в широком диапазоне фундаментальных и прикладных задач, среди которых – изучение спектров мгновенных нейтронов деления; получение ядерных констант; мониторирование и определение параметров нейтронных полей, генерируемых на ускорителях.

Преимущества использования спектрометра нейтронов нашего отделения

Разработанный в отделении перспективных исследований цифровой спектрометр нейтронов по времени их пролета обладает рядом уникальных параметров. Так, собственное временное разрешение, измеренное по совпадениям на 60Co, составило для энергии гамм-квантов 1 МэВ порядка 130 пс. При этом применение цифровой обработки сигналов позволило получить очень низкий порог для n/γ разделения. Это позволяет уверенно регистрировать нейтроны с энергиями выше 250 кэВ.

Спектрометр в сочетании с импульсным режимом ускорителя позволяет проводить прецизионные измерения характеристик нейтронных полей, формируемых заряженными частицами при взаимодействии с различными нейтронно-генерирующими мишенями. Также разработанный спектрометр нейтронов может успешно применяться для различных фундаментальных и прикладных приложений, например, для спектрометрии мгновенных нейтронов деления, получении ядерных данных. Используя данный спектрометр, можно проводить интегральные эксперименты для тестирования библиотек ядерных данных.

Преимущества метода времени пролета

  • Можно изучать нейтронные спектры в широком диапазоне энергий – от сотен кэВ до сотен МэВ.
  • Есть однозначное соответствие между измеряемой величиной (временем пролета) и энергией нейтрона.
  • Очень хорошее энергетическое разрешение по сравнению с другими методами спектрометрии быстрых нейтронов.
  • При применении определенных типов детекторов, например органических сцинтилляторов, есть возможность подавления гамма-фона, сопутствующего нейтронному излучению.
  • Хорошее собственное временное разрешение детекторов, что позволяет сократить пролетную базу от исследуемой мишени до детектора и, соответственно, уменьшить время набора.
  • Применение цифровых методов регистрации излучения позволяет значительно улучшить характеристики.

Возможные применения метода времени пролета

  • Спектрометрия мгновенных нейтронов деления с низким порогом регистрации нейтронов.
  • Получение прецизионных ядерных данных по упругому и неупругому рассеянию нейтронов,  реакций с вылетом нейтрона.
  • Интегральные эксперименты для тестирования библиотек ядерных данных.
  • Мониторирование и определение характеристик нейтронных полей (плотность потока и энергетический спектр), генерируемых на ускорителях частиц.
  • По спектру мгновенных нейтронов из исследуемой мишени можно определить ее изотопный состав.

Ограничения

Одним из основновных ограничений применения данного метода на ускорителях частиц является возможность работы ускорителя в импульсном режиме и его временные характеристики. Тем не менее существует возможность для прямой спектрометрии непрерывных потоков нейтронов с помощью схожего метода.

Фундаментальные основы применения метода времени пролета для спектрометрии быстрых нейтронов

Спектрометр по времени пролета позволяет поставить в прямое соответствие энергию нейтрона и его скорость. Скорость вычисляется из измеренного времени пролета при известной пролетной базе. Функция отклика спектрометра связана с временным разрешением и представляет собой распределение Гаусса.

Энергетическое разрешение спектрометра по времени пролета  напрямую связано с энергией нейтрона, а также с размером пролетной базы. С ростом энергии нейтрона энергетическое разрешение ухудшается. При этом улучшить энергетическое разрешение можно увеличив пролетную базу. Поэтому расстояние от мишени до детектора нужно подбирать таким образом, чтобы оптимизировать время набора статистики и энергетическое разрешение спектрометра.

В качестве детектора для регистрации нейтронов с энергиями от нескольких сотен кэВ до десятков МэВ обычно применяют органические сцинтилляторы, например: кристаллы стильбена, антрацена, паратерфенила, а также некоторые пластики. Такие детекторы отличаются очень хорошим собственным временным разрешением — порядка сотен пикосекунд. При этом в таких кристаллах форма импульса от электрона значительно отличается от формы импульса для протона отдачи или альфа-частицы. Это позволяет подавлять события от фоновых гамма-квантов и регистрировать только нейтронные события.

Для регистрации нейтронов низких энергий можно применять детекторы на основе литиевых стекол или пластиков, содержащих 10B. Для спектрометрии высокоэнергетичных нейтронов обычно используются различные тяжелые неорганические сцинтилляторы.

В последние годы для спектрометрии нейтронов стали активно применяться цифровые методы регистрации. Это позволяет значительно улучшить возможности для идентификации типа частицы, улучшить временное разрешение. При этом можно детально анализировать осциллограммы на наличие наложений, тем самым значительно увеличить пиковую загрузку.