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

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

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)

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

Aktywacyjne pomiary widm neutronów Widmo energetyczne neutronów: - gęstość strumienia neutronów [n/cm2s] w przedziale energii 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 Napromienianie zestawu folii aktywacyjnych Schładzanie i transport folii do układu pomiarowego Pomiar aktywności produktów aktywacji Odtworzenie (dekonwolucja) widma neutronów lub parametrów widmowych

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

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

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

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

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

Spektrometryczne pomiary aktywności Typy detektorów HPGe koaksjalny wnękowy

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”

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

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

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

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)

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

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

Procedura doboru zestawu detektorów do 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

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 transportowanie folii do odległego detektora (np. w Świerku) czas schładzania ≈ 2 h, czas pomiaru ≈ 10 h T½ od 0,5 h do 5 d

Wydajność detektora germanowego Przykładowa wydajność koaksjalnego detektora germanowego

Przekroje czynne

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:

Wytypowane izotopy reakcja s (2,45MeV) 79Br(n,n’)79Br 1,6 3299 13 197Au(n,n’)197Au 2,5 2965 90 177Hf(n,n’)177Hf 2,7 3632 2729 458 178Hf(n,n’)178Hf 1757 4 179Hf(n,n’)179Hf 890 209 180Hf(n,n’)180Hf 2,4 3990 3986 3102 89Y(n,n’)89Y 1,4 1675 298 113In(n,n’)113In 1,0 1420 1413 615 115In(n, n’)115In 1,2 17 786 87Sr(n,n’)87Sr 0,7 1089 1086 665 111Cd(n,n’)111Cd 1,8 1216 1205 219 167Er(n,n’)167Er 1,9 488 207Pb(n,n’)207Pb 1,3 100

Wytypowane izotopy reakcja s (14,1MeV) 79Br(n,n’)79Br 1,2 2458 9 113In(n,n’)113In 1,4 1911 1903 828 24Mg(n,p)24Na 0,2 1134 1133 1034 27Al(n,p)27Mg 0,1 254 243 27Al(n,a)24Na 823 822 750 89Y(n,n’)89Y 0,6 763 136 197Au(n,n’)197Au 0,3 358 11 167Er(n,n’)167Er 1,6 335 56Fe(n,p)56Mn 226 225 132 178Hf(n,n’)178Hf 0,4 504 180Hf(n,n’)180Hf 330 312 249 48Ti(n,p)48Sc 262 255 28Si(n,p)28Al 581 475