Ядерно-физические методики на базе нейтронного генератора НГ-150 Института ядерной физики академии наук Республики Узбекистан

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 Кокрофта-Уолтона, в котором при взаимодей- ствии ускоренных до 150 кэВ ионов дейтерия с твёрдой тритиевой мишенью (TiTi.5.1.8) 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 T(d,n)4He). При замене тритиевой мишени на дейтериевую по реакции D(d,n)3He генерируются нейтроны с энергией около 2.5 МэВ при выходе нейтронов примерно на два порядка ниже, чем в первой реакции [1].

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 2·1010 н/сек (в 4π).

– 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 γγ-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 γ-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 β+-излучателя 13N по аннигиляционному γ-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 выполняется по активности ядра 28Al, образующегося в реакции 31P(n,α)28Al. Разработана методика, исключающая помехи от фоновой реакции 28Si(n,p)28Al. 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» γ-излучения ядерных реакций ( PIGE -Particle Induced Gamma-ray Emission). При этом измеряются спектры γ-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 γ-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 γ-квантов в методиках AAFN и PIGE использовались сцин- тилляционные детекторы NaJ(Tl) с размерами кристаллов Ø63x63 и Ø200x100 мм, с энергетическим разрешением соответственно 9% и 11% на линии 662 кэВ, а также HP Ge детекторы с эффективностями регистрации 20% и 25% при энергетическом разрешении ~1.7 кэВ для γ-линии 1332 кэВ с соотношением фотопика к комптоновскому распределению ~50 [1].

Для анализа легких элементов в тех случаях, когда быстрыми нейтронами активируются ядра с конечной β+- активностью, использовался сцинтилляционный спектрометр γγ-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 ΔE-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 (NERD)

Для амплитудно-цифрового преобразования спектрометрических ΔE и E 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 ΔE-E - 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.