ФОТОНЕЙТРОННЫЙ ИСТОЧНИК
PHOTONEUTRON SOURCE

Изобретение относится к нейтронной технике и, в частности, к фотонейтронным источникам и средствам формирования потоков нейтронов и может быть использовано в экспериментальной нейтронной физике, ядерной геофизике, при анализе материалов, в том числе нейтронно-активационном анализе, и в других областях ядерной техники и технологии.
Из существующего уровня техники известны различные фотонейтронные источники нейтронов. Такими источниками называются источники, в которых образование нейтронов происходит под действием фотонов (гамма-квантов) в реакциях (γ, n), идущих на ядрах при сравнительно малых порогах реакции.
9
8
124
Известны изотопные фотонейтронные источники, где гамма-кванты излучаются изотопными источниками, а нейтроны образуются в реакции (γ, n) на ядрах дейтерия или бериллия. Обычно используют реакцию Ве(γ, n)Be (см., например, [Русанов А.Е. и др. Рабочий источник нейтронов. Патент WO 2016099333 (2014); Бритвич Г.И. и др. Моноэнергетический источник нейтронов. Патент РФ 1762667 (1994)]). Источник, например, из Sb окружают мишенью из бериллия. Изотопные фотонейтронные источники используются достаточно редко из-за малого выхода нейтронов и необходимостью принятия мер по радиационной защите.
2
9
8
Известны также фотонейтронные источники нейтронов, в которых для образования гамма-квантов используют пучки заряженных частиц ускорителей. Наиболее экономичным является использование ускорителей электронов низких энергий. В качестве материала е-γ-конвертера используют материалы с большим атомным номеров, например тантал или вольфрам, а в качестве материала фотонейтронной мишени используют тяжелую воду (DO, порог D(γ, n)Н реакции = 2,23 МэВ) или бериллий (порог Ве(γ, n)Ве реакции = 1,66 МэВ).
2
Так, известен фотонейтронный источник нейтронов на базе электронного ускорителя [John M. Gahl and Gregory E. Dale. Method and apparatus for generating thermal neutrons using an electron accelerator. US Patent 8666015 (2002)], содержащий облучаемый пучком электронов е-γ-конвертер, фотонейтронную мишень и замедлитель, причем в качестве материала конвертера использован тантал или вольфрам, в качестве материала фотонейтронной мишени использована тяжелая вода (DO), которая также выступает в роли материала замедлителя. К недостаткам таких источников следует отнести большой размер контейнера для фотонейтронной мишени и замедлителя, а также еще больший размер радиационной защиты.
Одним из оптимальных вариантов фотонейтронных источников нейтронов на базе электронного ускорителя являются источники, в которых в качестве материала фотонейтронной мишени использован бериллий. Это делает установку компактнее и экономически выгодней.
Наиболее близким техническим решением является фотонейтронный источник нейтронов на базе ускорителя электронов [L. Auditore et al. Study of a 5 MeV electron linac based neutron siurce. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 229 (2005) 137-143 (fig. 3)], включающий облучаемый пучком электронов е-γ-конвертер, фотонейтронную мишень и замедлитель быстрых нейтронов. При этом е-γ-конвертер выполнен из вольфрама, фотонейтронная мишень - из бериллия, а замедлитель - из полиэтилена.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, большие размеры и необходимость обеспечения радиационной защиты.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления источника, повышение эффективности и надежности его функционирования, повышение защиты от нейтронного облучения.
4
2
3
6
Технический результат достигается тем, что фотонейтронный источник, содержащий облучаемый пучком электронов е-γ-конвертер из вольфрама, фотонейтронную мишень из бериллия и замедлитель быстрых нейтронов из полиэтилена, дополнительно содержит канал для ввода пучка электронов, вторую фотонейтронную мишень, полость для облучения образцов и биологическую защиту для поглощения тепловых и замедления и поглощения быстрых нейтронов, вылетающих наружу из источника. При этом биологическая защита выполнена с полостью, заполненной замедлителем. В центре замедлителя также выполнена полость, в которой установлены симметрично относительно ее центра первая и вторая фотонейтронные мишени. Пространство между мишенями служит полостью для облучения образцов, ограниченной с торцов внутренними торцами фотонейтронных мишеней, а с остальных сторон - поверхностью полости замедлителя. На внешней поверхности первой фотонейтронной мишени размещен е-γ-конвертер, который сопряжен с каналом для ввода пучка электронов, ось которого проходит через центры е-γ-конвертера, первой фотонейтронной мишени, полости для облучения образцов и второй фотонейтронной мишени. При этом e-γ-конвертер облучается пучком электронов с энергией 6-8 МэВ и выполнен из вольфрама толщиной 0,05-0,15 см. Биологическая защита, полость внутри биологической защиты и замедлитель могут быть выполнены в форме параллелепипеда, куба или тела вращения. Полость для облучения образцов может иметь кубическую форму, а размеры полости могут совпадать с размерами фотонейтронной мишени. При этом вторая фотонейтронная мишень может быть выполнена из бериллия, замедлитель - из полиэтилена, а биологическая защита - из борированного полиэтилена с добавкой соединений бора с общим содержанием не менее 3%. Причем толщина замедлителя составляет не менее 24 см, а биологической защиты - не менее 16 см. Первая и вторая фотонейтронные мишени могут иметь одинаковые размеры и быть выполнены, например, в виде кубов со сторонами 10 см. По боковым сторонам полости для облучения образцов дополнительно могут быть размещены боковые фотонейтронные мишени, которые могут быть выполнены из бериллия толщиной не менее 1 см. Фотонейтронный источник дополнительно содержит канал для помещения образцов внутрь полости для облучения образцов и вкладыш для закрытия этого канала, при этом структура вкладыша и состав материалов, из которого он выполнен, повторяют структуру и состав материалов источника. Фотонейтронный источник также дополнительно содержит канал для вывода нейтронов из центра источника, вкладыш для закрытия этого канала и фильтры из различных материалов, например Cd, ВС, LiCO, внутри канала для снижения доли тепловых нейтронов в спектре нейтронов на выходе из источника. Первая и вторая фотонейтронные мишени выполнены подвижными с возможностью перемещения в центр источника для увеличения потока нейтронов, выходящих через канал. При этом структура вкладыша и состав материалов, из которого он выполнен, повторяют структуру и состав материалов источника.
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 показана схема фотонейтронного источника, где:
1 - канал для ввода пучка электронов,
2 - е-γ-конвертер,
3 - первая фотонейтронная мишень,
4 - вторая фотонейтронная мишень,
5 - полость для облучения образцов,
6 - замедлитель быстрых нейтронов,
7 - биологическая защита для поглощения тепловых и замедления и поглощения быстрых нейтронов,
8 - боковые фотонейтронные мишени,
9 - канал для вывода нейтронов.
На фиг. 2 показаны результаты моделирования взаимодействия электронов с энергией 8 МэВ с е-γ-конвертером: зависимость числа фотонов (фотон/ср/е) из вольфрамового е-γ-конвертера от толщины е-γ-конвертера.
На фиг. 3 показаны результаты моделирования взаимодействия гамма-квантов с первой фотонейтронной мишенью: зависимость потока нейтронов (нейтрон/с/мкА) из бериллиевой фотонейтронной мишени от толщины первой фотонейтронной мишени.
2
На фиг. 4 показаны результаты моделирования взаимодействия нейтронов с замедлителем из полиэтилена: зависимость плотности потока нейтронов (нейтрон/см⋅с) в центре полости для облучения образцов от толщины замедлителя.
2
На фиг. 5 показаны результаты моделирования взаимодействия нейтронов с биологической защитой из борированного полиэтилена: зависимость плотности потока нейтронов (нейтрон/см⋅с) на расстоянии 400 см от источника от толщины биологической защиты из борированного полиэтилена.
На фиг. 6 показаны результаты моделирования взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с боковыми фотонейтронными мишенями из бериллия: зависимость плотности потока нейтронов в центре полости для облучения образцов от толщины боковых фотонейтронных мишеней из бериллия.
На фиг. 7 показан фотонейтронный источник.
Осуществление заявленного фотонейтронного источника подтверждается следующими пояснениями и примерами.
Фотонейтронный источник (фиг. 1) содержит канал 1 для ввода пучка электронов электронного ускорителя, облучаемый пучком электронов е-γ-конвертер 2 из вольфрама, первую (3) и вторую (4) фотонейтронные мишени из бериллия, полость 5 для облучения образцов, замедлитель 6 быстрых нейтронов из полиэтилена и биологическую защиту 7 для поглощения тепловых и замедления и поглощения быстрых нейтронов, вылетающих наружу из источника. При этом биологическая защита 7 выполнена с полостью, заполненной замедлителем 6. В центре замедлителя 6 также выполнена полость, в которой установлены симметрично относительно ее центра первая (3) и вторая (4) фотонейтронные мишени. Пространство между мишенями служит полостью 5 для облучения образцов, ограниченной с торцов внутренними торцами фотонейтронных мишеней 3 и 4, а с остальных сторон - поверхностью полости замедлителя 6. На внешней поверхности первой фотонейтронной мишени 3 размещен е-γ-конвертер 2, который сопряжен с каналом 1 для ввода пучка электронов, ось которого проходит через центры е-γ-конвертера 2, первой фотонейтронной мишени 3, полости 5 для облучения образцов и второй фотонейтронной мишени 4. При этом е-γ-конвертер 2 облучается пучком электронов с энергией 6-8 МэВ и выполнен из вольфрама толщиной 0,05 - 0,15 см. Биологическая защита 7, полость внутри биологической защиты и замедлитель 6 могут быть выполнены в форме параллелепипеда, куба или тела вращения. Полость 5 для облучения образцов может иметь кубическую форму, а размеры полости 5 могут совпадать с размерами первой фотонейтронной мишени 3. При этом вторая фотонейтронная мишень 4 может быть выполнена из бериллия, замедлитель 6 - из полиэтилена, а биологическая защита 7 - из борированного полиэтилена с добавкой соединений бора с общим содержанием не менее 3%. Причем толщина замедлителя 6 составляет не менее 24 см, а биологической защиты 7 - не менее 16 см. Первая и вторая фотонейтронные мишени 3 и 4 могут иметь одинаковые размеры и быть выполнены, например, в виде кубов со стороной 10 см. По боковым сторонам полости 5 для облучения образцов могут быть дополнительно размещены боковые фотонейтронные мишени 8, которые могут быть выполнены из бериллия толщиной не менее 1 см. Фотонейтронный источник дополнительно содержит канал для помещения образцов внутрь полости для облучения образцов и вкладыш для закрытия этого канала, при этом структура вкладыша и состав материалов, из которого он выполнен, повторяют структуру и состав материалов источника. Фотонейтронный источник также дополнительно содержит канал 9 для вывода нейтронов из центра источника и вкладыш для закрытия этого канала, при этом структура вкладыша и состав материалов, из которого он выполнен, повторяют структуру и состав материалов источника. При этом первая и вторая фотонейтронные мишени 3 и 4 выполнены подвижными с возможностью перемещения в центр источника.
Фотонейтронный источник работает следующим образом.
4
2
3
6
Электроны (фиг. 1) с энергией, например, 8 МэВ по каналу 1 для ввода пучка электронов попадают на вольфрамовый е-γ-конвертор 2 и образуют в нем поток тормозных гамма-квантов с предельной энергией 8 МэВ. Тормозные гамма-кванты, попадая на первую бериллиевую фотонейтронную мишень 3 (материал с низким порогом образования фотонейтронов), рождают быстрые нейтроны (средняя энергия нейтронов ~2 МэВ). Эти нейтроны, а также гамма-кванты из первой фотонейтронной мишени 3 взаимодействуют со второй бериллиевой фотонейтронной мишенью 4 и боковыми фотонейтронными мишенями 8, размещенными по боковым сторонам полости 5 для облучения образцов. Это увеличивает поток нейтронов в полости 5 между фотонейтронными мишенями 3 и 4. За счет фотонейтронной реакции и реакции (n, 2n) в бериллии (порог реакции 1,9 MeV, т.е. за счет быстрых нейтронов) доля нейтронов, возвращающихся в полость 5, увеличивается. Далее нейтроны в полиэтиленовом замедлителе 6 испытывают столкновения с ядрами водорода, в результате которых замедляются до энергии 0.07 эВ, близкой к энергии тепловых нейтронов. Тепловые нейтроны из полиэтиленового замедлителя 6 попадают в полость 5, в которой находятся облучаемые образцы. Размер полости 5 зависит от размеров полости в замедлителе и размеров, ограничивающих полость 5 фотонейтронных мишеней 3 и 4. Ввод и вывод образцов для облучения осуществляется через канал для помещения образцов внутрь полости для облучения образцов (не полазан на фиг. 1). Во время облучения канал закрывается вкладышем, структура и состав материалов, из которого он выполнен, повторяют структуру и состав материалов источника. Слой биологической защиты 7 из борированного полиэтилена с добавкой соединений бора с общим содержанием не менее 3% замедляет вышедшие из замедлителя 6 наружу источника быстрые нейтроны и поглощает медленные и тепловые нейтроны. Вывод из источника нейтронов для нейтронных исследований осуществляют через канал 9 для вывода нейтронов из центра источника. Во время облучения образцов в полости 5 канал 9 закрывается вкладышем, структура и состав материалов, из которого он выполнен, повторяют структуру и состав материалов источника. Для увеличения потока нейтронов, выходящих через канал 9 из фотонейтронного источника, первая и вторая фотонейтронные мишени 3 и 4 выполнены подвижными с возможностью перемещения в центр источника. При этом внутри канала 9 могут быть размещены фильтры из различных материалов, например Cd, ВС, LiCO, для снижения доли тепловых нейтронов в спектре нейтронов на выходе из источника, если нужны быстрые нейтроны.
Пример 1
8
9
2
10
Построена компьютерная модель фотонейтронного источника согласно схеме на фиг. 1 и проведено численное моделирование свойств фотонейтронного источника. При моделировании вольфрамового е-γ-конвертора рассчитаны энергетические и угловые распределения гамма-квантов, вылетающих из вольфрамовых пластин различной толщины, при облучении их точечным пучком электронов с энергией 8 МэВ. При моделировании фотонейтронной бериллиевой мишени получены энергетические и угловые распределения нейтронов и гамма-квантов, вылетающих из слоев бериллия различной толщины при облучении точечным пучком гамма-квантов. В результате моделирования получены оптимальные параметры замедлителя и защиты. Результаты моделирования показаны на фиг. 2-6. Расчеты показали возможность получения плотности потока тепловых нейтронов в полости для облучения образцов ~10-10 нейтрон/с⋅см при выходе из первой фотонейтронной мишени быстрых нейтронов ~1-5⋅10 нейтрон/с при токе пучка электронов ~30 мкА.
Пример 2
63
55
115
45
7
8
2
По результатам моделирования создан и установлен на пучке электронов промышленного линейного ускорителя ЛУЭ-8-5 фотонейтронный источник (фиг. 7). В источнике е-γ-конвертер выполнен из вольфрама толщиной 0,1 см, а две фотонейтронные мишени - из бериллия в виде кубов со сторонами 10 см. Замедлитель и биологическая защита были набраны, соответственно, из стандартных фигурных блоков С0 (из чистого полиэтилена) и С3 (из борированного полиэтилена с добавкой соединений бора с общим содержанием не менее 3%) с размерами 250×120×60 мм. Толщины биологической защиты и замедлителя при этом составили не менее 16 и 24 см соответственно. Это обеспечило требуемый санитарными нормами уровень потока нейтронов вне источника. Плотность потока нейтронов внутри источника измерялась с помощью (n, γ)-реакций методом нейтронно-активационного анализа. В качестве мониторов плотности потока нейтронов при этих измерениях были использованы образцы Cu, Mn, In, Sc. Экспериментально измеренная плотность потока тепловых нейтронов в полости для облучения образцов составила ~10-10 нейтрон/с⋅см при токе пучка ~40 мкА и частоте 50 Гц, что может быть увеличено при соответственном увеличении тока и частоты пучка.
Пример 3
4
5
2
6
-2
-5
-3
4
2
3
Плотность потока нейтронов на выходе канала 9 для вывода нейтронов из центра источника измерялась так же, как в Примере 2. При этом первая и вторая фотонейтронные мишени были смещены в центр источника для увеличения потока нейтронов, выходящих через канал. Экспериментально измеренная плотность потока нейтронов на выходе канала 9 составила ~10-10 нейтрон/с⋅см. Для снижения доли тепловых нейтронов в спектре нейтронов на выходе из источника использовались фильтры из Cd, BC, LiCO, соответственно, толщиной 2 мм, 1 и 4 см. Это обеспечило соотношение тепловых к быстрым нейтронам, соответственно, ~10, 10 и 10.
Таким образом, использование настоящего технического решения упрощает конструкцию и технологию изготовления фотонейтронного источника, повышает эффективность и надежность его функционирования, повышает защиту от нейтронного облучения в процессе функционирования.