Ядерно-физические методики на базе нейтронного генератора НГ-150 Института ядерной физики Академии Наук Республики Узбекистан

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ НА БАЗЕ НЕЙТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НГ-150 ИНСТИТУТА ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

A.Г. Бажажин2, младший научный сотрудник О.Ш. Жураев1, младший научный сотрудник

B.А. Татарчук1, инженер

1 Лаборатория ядерных реакций Института Ядерной Физики Академии Наук Республики Узбекистан

Лаборатория физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного Института Ядерных Исследований

1

2

Аннотация. В статье приведен обзор созданной на базе нейтронного генератора НГ-150 установки для on-line анализа образцов различного типа на содержание и определение профилей концентрации всех изотопов водорода и гелия в приповерхностных слоях с использованием полупроводникового AE-E и AE1-AE2-E метода регистрации и идентификации, а также представлены основные приложения использования НГ-150 для анализа состава веществ.

Ключевые слова: НГ-150, нейтронный генератор, поток быстрых нейтронов, метод нейтронно-активационного анализа на быстрых нейтронах, AAFN, метод регистрация «мгновенного» у-излучения ядерных реакций, PIGE, метод рассеяния быстрых нейтронов, NERD.

Нейтронный генератор НГ-150 Института ядерной физики Академии Наук Республики Узбекистан (ЛЯР ИЯФ АН РУ, г. Ташкент) - установка, позволяющая проводить научно-технические исследования в области ядерной, радиационной физики и элементного анализа с использованием потоков быстрых нейтронов.

Описание НГ-150 Нейтронный генератор НГ-150 (Рис.1.) разработки НИИЭФА, г. Санкт-Петербург, представляет собой ускоритель типа Кок-рофта-Уолтона, в котором при взаимодей-

ствии ускоренных до 150 кэВ ионов дейтерия с твёрдой тритиевой мишенью (Т1Т15-1.8) диаметром 45 мм генерируются нейтроны с энергией ~14 МэВ и выходом более 1010 н/с в 4п при монохроматичности не хуже 100 кэВ FWHM (по реакции Т(ё,п)4Не). При замене тритиевой мишени на дейтериевую по реакции D(d,n) Не генерируются нейтроны с энергией около 2.5 МэВ при выходе нейтронов примерно на два порядка ниже, чем в первой реакции [1].

Шт

Рис. 1. Нейтронный генератор НГ-150 ИЯФ АН РУз г. Ташкент, Узбекистан

Поток нейтронов мониторируется по интенсивности сигналов от 3He-содержащего счетчика Гейгера, установленного вблизи тритиевой мишени нейтронного генератора.

Основные технические данные НГ-150:

- Максимальный поток нейтронов 21010 н/сек (в 4п).

- Номинальная энергия ускоренных дейтронов 150 кэВ.

- Пределы регулировки энергии дейтронов 50-150 кэВ.

- Ток пучка дейтронов на мишени до 3 мА.

- Диаметр пучка на мишени в номинальном режиме 10-30 мм.

Непрерывный режим работы.

На базе НГ-150 создана установка для on-line анализа образцов различного типа на содержание любых изотопов водорода и гелия, и определения их профилей концентрации в приповерхностных слоях различных материалов. Для выполнения работ по нейтронно-активационному анализу короткоживущих радионуклидов сделана пневмопочта для подачи исследуемых образцов после облучения нейтронами в измерительную установку. Также имеется сцинтилляционный спектрометр уу-совпадений, сопряженный с управляемыми программой счетчиками импульсов, разработанных в ЛЯР ИЯФ АН РУз [2] и специального программного обеспечения [3].

Основное применение НГ-150

Метод нейтронно-активационного анализа на быстрых нейтронах с энергией ~14 МэВ (AAFN - Activation Analysis on Fast Neutrons), основанный на использовании пороговых ядерных реакций (n,p), (n,d) и (n,2n) с последующим временным и амплитудным анализом у-спектров от активированных проб, широко используется для определения содержания элементов [1, 4], особенно эффективна эта методика используется в ИЯФ АН РУз для определения содержания лёгких элементов [3, 5].

AAFN - метод широко применяется для определения содержание кислорода в широком разнообразии матриц, включая металлы, геологические материалы, уголь,

жидкие топлива, керамические материалы и т.д.

Определение содержания азота в биологических матрицах для оценки содержания белка, а также в удобрениях, взрывчатых веществах, полимерах является также важным применением [6]. На основном изотопе азота возбуждается ядерная реакция 14N(n,2n)13N, пороговая энергия которой выше 10 МэВ, и измеряется активность в -излучателя N по аннигиляцион-ному у-кванту с учетом периода полураспада. Эта методика испытывалась путём сравнения полученных результатов с результатами химического метода для трёх видов пшеницы произрастающих в Узбекистане и некоторых образцов риса. Результаты совпали между собой с ошибкой не больше, чем 5%.

Определение содержание фосфора вы-

28

полняется по активности ядра Al, обра-

31 28

зующегося в реакции

P(n,a) Al. Разработана методика, исключающая помехи от

28 28

фоновой реакции Si(n,p) Al. Аналогичные методики разработаны для ряда других легких элементов [4].

В тех случаях, когда периоды полураспада активируемых для анализа радиоизотопов малы, и транспортировка облучённого образца в позицию измерений невозможна, содержание элементов определяется методом регистрации «мгновенного» у-излучения ядерных реакций (PIGE -Particle Induced Gamma-ray Emission). При этом измеряются спектры у-квантов от пробы непосредственно в процессе её облучения потоком быстрых нейтронов [1]. На PIGE - установке на НГ-150 детектор с горизонтальным расположением "головки" детектора находится в домике из свинца с толщиной 100 мм для защиты от у-фона в экспериментальном зале. Угол установки детектора относительно оси "нейтронный источник - образец" и расстояние от образца может быть оперативно изменено. Перед детектором могут устанавливаться свинцовые коллиматоры с различным диаметром канала, ось которых направлена на облучаемый образец.

Для детектирования у-квантов в методиках AAFN и PIGE использовались сцин-

тилляционные детекторы NaJ(Tl) с размерами кристаллов 063x63 и 0200x100 мм, с энергетическим разрешением соответственно 9% и 11% на линии 662 кэВ, а также НР Ge детекторы с эффективностями регистрации 20% и 25% при энергетическом разрешении ~1.7 кэВ для у-линии 1332 кэВ с соотношением фотопика к комптонов-скому распределению ~50 [1].

Для анализа легких элементов в тех случаях, когда быстрыми нейтронами активируются ядра с конечной Р+-

активностью, использовался сцинтилляци-онный спектрометр уу-совпадений [3].

Содержание и профили концентрации изотопов водорода и гелия в различных образцах определяются с помощью недеструктивного метода рассеяния быстрых нейтронов (NERD - Neutron-induced Elastic Recoil Detection) [1, 7, 8, 9], предложенного и созданного в ИЯФ АН РУз. Общая схема конфигурации установки для NERD-метода на базе НГ-150 представлена на Рис.2.

Рис. 2. Конфигурация установки NERD на базе НГ-150 в ЛЯР ИЯФ АН РУз.

Метод NERD базируется на измерении спектров энергии ядер отдачи анализируемых легчайших ядер (изотопов водорода и гелия), которые выбиваются из образцов быстрыми нейтронами с энергией ~14 МэВ. При этом потеря первоначальной энергии ядра отдачи после вылета из образца позволяет определить глубину его

залегания в приповерхностных слоях толщиной до нескольких сотен микрон.

Для определения наряду с энергией также и сорта ядра отдачи используется AE-E метод регистрации с полупроводниковыми кремниевыми детекторами. Принципиальная схема измерения исследуемого образца по NERD методу представлена на Рис.3.

Рис. 3. Схема измерения образца по методу рассеяния быстрых нейтронов

Для амплитудно-цифрового преобразования спектрометрических ДЕ и Е сигналов использован двумерный анализатор на основе микроконтроллеров с мёртвым временем не более 30 мкс [2].

Чувствительность анализа ограничивается мешающими ядерными реакциями на других химических элементах, входящих в состав анализируемых материалов, и зависит от статистической обеспеченности измерения. Она различна для различных материалов, в которых содержится водород, и варьируется в широких пределах от 0.1 ат.% до 10 ат.%.

Методика оснащена соответствующим программным обеспечением [10, 11], позволяющим производить анализ двумерных ДЕ-Е - спектров для извлечения профилей концентрации, а также моделирование спектров по задаваемым профилю концентрации, фоновым спектрам от матрицы образцов и другим эксперименталь-

ным условиям, что повышает корректность результатов анализа. Данная методика успешно использовалась в рамках международного гранта Украинского Научно-Технологического Центра (УНТЦ [STCU]) № 3027 "Разработка методики и спектрометра для анализа профиля концентрации изотопов водорода в материалах ядерной технологии" и международного проекта "Определение профилей концентрации изотопов водорода в образцах покрытий первой стенки термоядерных реакторов" (под эгидой МАГАТЭ по программе ITER [International

Thermonuclear Experimental Reactor]) [8].

Заключение.

На базе вышеприведенных методик ЛЯР ИЯФ АН РУз может оказать сервисные научно-технические услуги путём проведения стационарных анализов и передачи данных анализа в виде информационного отчёта.

Библиографический список

1. Артемов С.В., Бажажин А.Г. и др. Ядерно-физические методики анализа на базе нейтронного генератора НГ-150 (ИЯФ АН РУз) и линейного ускорителя заряженных частиц ЭГ-2 НИИПФ НУУз // Материалы международной конференции "Аманжоловские чтения-2009", Усть-Каменогорск, Казахстан, 8-9 окт. 2009, Часть 2, стр. 219-225.

2. Артемов С.В., Бажажин А.Г., Буртебаев Н.Т. и др. Двумерный анализатор на микро-контоллерах для идентификации и спектрометрии заряженных частиц // Приб. и Техн. Экспер., 2009, № 1, стр. 168-170.

3. Артемов С.В. и др. Автоматизированная методика идентификации и измерения активностей короткоживущих радионуклидов // Приб. и Техн. Эксп., 2013, № 2, стр. 89-92.

4. Mukhammedov S., Khaydarov A. Activation analysis based on secondary nuclear reactions // NUPPAC_05, Cairo, Egypt, Nov. 2005, Proceedings, pp. 29-35.

5. МуминовВ.А., Навалихин Л.В. Активационный анализ с использованием нейтронного генератора // Ташкент: "Фан", 1979.

6. Мухаммедов С. и др. Определение белка в зернопродуктах методом активационного анализа с применением нейтронного генератора // Атомная Энергия, 2009, т. 106, вып. 3, стр. 169-173.

7. Khabibulaev P.K., Skorodumov B.G. Hydrogen Depth Profiling by Elastic Recoil Detection. Determination of Hydrogen in Materials // Nucl. Ph. Meth. Springer Tracts in Modern Physics. 1989, V. 117, pp. 63-69.

8. Artemov S.V. et al. NERD - method to study profile of tritium concentration in interior elements of a fusion reactor // Proc. IAEA, Oct. 2004, Vienna, Austria.

9. Артемов С.В. и др. Оптимизация метода ядер отдачи для анализа профиля концентрации изотопов водорода в материалах // Труды конф. NPAE-Kiev 2006, Май-Июнь 2006, Киев, Украина, стр. 858-863.

10. Abdurakhmanov A.H. et al. A Monte-Carlo Model for Simulation of Neutron-induced Elastic Recoil Spectra // Journal of Neutron Res., 2002, V. 10(2), pp. 63-77.

11. Artemov S.V. et al. Procedure of account of the background reactions in the NERD-method for definition of concentration profiles of hydrogen isotopes // Proc. 5th ICNRP, Sept. 2005, Almaty, V. 1, pp. 210-218.

NUCLEAR PHYSICAL METHODS BASED ON THE NEUTRON GENERATOR NG-150 AT THE INSTITUTE OF NUCLEAR PHYSICS, ACADEMY OF SCIENCES OF UZBEKISTAN

A.G. Bazhazhin , junior researcher O.S. Zhuraev1, junior researcher V.A. Tatarchuk1, engineer

laboratory of nuclear reactions, Institute of Nuclear Physics, Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

2 V.I. Veksler and A.M. Baldin laboratory of high energy physics, Joint Institute for Nuclear Research ^Uzbekistan, Tashkent)

Abstract. The article presents the overview of the installation created on the basis of the neutron generator NG-150 for on-line analysis of samples of various types of distribution and determination of concentration profiles for all the isotopes of hydrogen and helium in the subsurface layers using semiconductor AE-E and AEj-AE2-E method of registration and identification, as well as presents the main applications of using the NG-150 to analyze the composition of materials.

Keywords: NG-150, neutron generator, flux of fast neutron, Activation Analysis on Fast Neutrons, AAFN, Particle Induced Gamma-ray Emission, PIGE, Neutron-induced Elastic Recoil Detection, NERD.