9.1. Активационный метод дозиметрии нейтронов

Одна из важнейших технологий нейтронной дозиметрии основана на протекании ядерных реакций в различных материалах под действием нейтронов с образованием радиоактивных ядер. Информацию о нейтронном поле можно получить из измерений β- или γ-излучения, испускаемого этими ядрами.

Число радиоактивных ядер , образованных в активационном детекторе под действием поля нейтронов с плотностью потока и нормированным энергетическим спектром , в момент времени описывается следующим дифференциальным уравнением:

(9.1),

где – число ядер в детекторе, которые могут быть активированы, – сечение активации, – постоянная распада образуемого радионуклида. Коэффициент учитывает возмущение нейтронного поля вследствие присутствия детектора (снижение плотности потока тепловых нейтронов, самоэкранирование промежуточных нейтронов). Активность, наведенную в результате облучения в течение времени , можно найти из решения уравнения (9.1):

(9.2).

В соответствии с этим, активность детектора растет с увеличением времени облучения до некоторого значения, соответствующего насыщению, . Если его разделить на общее число ядер, которое может быть активировано, получим так называемый активационный интеграл

(9.3),

который зависит от параметров поля нейтронов и сечения активации.

Активность в момент времени после облучения обычно измеряется детекторами (газовые счетчики, сцинтилляционные счетчики, полупроводниковые детекторы), дающими результат в виде количества импульсов . Число импульсов за время измерения равно

(9.4),

здесь учтено уменьшение активности как в течение времени выдержки , так и в течение времени измерения . Величина представляет эффективность регистрации измерительной установки. Выходной сигнал пропорционален плотности потока нейтронов в соответствии с уравнением (9.3), таким образом активационные детекторы пригодны для проведения измерений нейтронных полей.

При кратковременном облучении (),так как , имеем , где . Таким образом, можно измерять напрямую флюенс нейтронов, а отсюда и дозу нейтронов или производную величину. Поскольку короткие времена облучения характерны для аварий, активационные детекторы могут использоваться как аварийные дозиметры.

Тепловые, промежуточные и быстрые нейтроны можно измерить раздельно с использованием материалов с подходящей энергетической зависимостью сечений. Для этого, в соответствии с уравнением (9.3) необходимо знать спектр нейтронов (или, по крайней мере, иметь предположения относительно него).

Регистрация нейтронов в области тепловых энергий осуществляется разностным методом по кадмию с использованием 1/v детекторов (сечение взаимодействия обратно пропорциональное скорости). Разность активационных интегралов для непокрытого детектора и детектора, закрытого слоем кадмия, равна

(9.5),

если пренебречь возмущениями поля ( = 1). Энергия отсечки кадмия составляет ≈ 0,4 эВ. Спектр тепловых нейтронов может быть приближенно описан распределением Максвелла, и интеграл в выражении (9.5) дает некоторое среднее значение сечения для тепловых нейтронов (табулированные значения), следовательно, плотность потока тепловых нейтронов описывается уравнением

(9.6).

Регистрация промежуточных нейтронов осуществляется с использованием резонансных детекторов, для которых характерно наличие ярко выраженного максимума на кривой сечения активации (в целом описывающейся законом 1/v) при резонансной энергии . Если энергетический спектр промежуточных нейтронов может быть описан пропорциональностью , то для спектральной плотности потока промежуточных нейтронов имеем

(9.7).

Отсюда получаем активационный интеграл для детектора, покрытого кадмием, пренебрегая возмущениями поля:

(9.8),

где верхний предел интегрирования можно выбрать, например, равным ≈ 1 МэВ. Однако вклад в интеграл при энергиях очень мал, поэтому также можно проводить интегрирование до бесконечного предела и использовать резонансный активационный интеграл

(9.9).

Отсюда получаем для спектральной плотности потока при резонансной энергии

(9.10)

и для плотности потока промежуточных нейтронов

(9.11).

Некоторые активационные реакции, применимые для регистрации тепловых и промежуточных нейтронов, представлены в таблице 9.1.

Таблица 9.1

Активационные реакции для регистрации тепловых и промежуточных нейтронов

Для регистрации быстрых нейтронов используются пороговые детекторы. Реальная зависимость заменяется такой, что = 0 ниже эффективной пороговой энергии и = const при более высоких энергиях. При этом для предполагаемого спектра (например, спектра деления) должно выполняться следующее условие

(9.12).

Для порогового детектора активационный интеграл имеет вид

(9.13).

Плотность потока быстрых нейтронов с энергиями равна

(9.14).

Некоторые типовые пороговые реакции показаны в таблице 9.2.

Таблица 9.2

Активационные реакции для регистрации быстрых нейтронов