CC BY
19
УДК 539.1.01.03
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ Б-Т НЕЙТРОНОВ В ТРЕКОВОМ ДЕТЕКТОРЕ СЯ-39 ПО РЕАКЦИИ
п + С12 —► п' + За
А. М. Маренный1, Н. А. Нефедов1, А. С. Русецкий
Экспериментально исследована эффективность регистрации О-Т нейтронов с энергией 14,1 МэВ трековым детектором СВ.-39 по реакции п + С12 —► п' + За. Для эффективности, усредненной по различным направлениям, получено значение (4,7 ±0,6) • 10~7. Дополнительный радиатор на поверхности СИ-39 (50 мкм полиэтилена) повышает среднюю эффективность до (1,2 ± 0,1) • Ю-6.
Одним из методов регистрации быстрых нейтронов (Еп > 10 МэВ) является использование трекового детектора СИ-ЗЭ, представляющего собой полимер СюНх&От. Отклик СЯ-39 на нейтроны высоких энергий исследовался во многих работах [1 - 6]. Одной из возможных реакций, которые происходят при взаимодействии нейтрона с веществом детектора, является неупругое рассеяние нейтрона на ядре С12, приводящее к его распаду на три а-частицы:
п + С12 -» п' + За (<Э = -7,37 МэВ). (1)
Сечение реакции (1) при Еп = 14,5Мэ5 составляет 190 мб, а ее порог около 7,4 МэВ
[7].
Наличие треков трех а-частиц, вылетевших из одной точки, позволяет с уверенностью отделить этот тип реакции от всех других, которые происходят при облучении С И-39 нейтронами. По параметрам треков (диаметр, наклон, длина) можно оценить энергии вылетевших а-частиц и восстановить энергию, переданную первичным нейтроном ядру С12.
1 Научно-исследовательский центр радиационной безопасности космических объектов, Москва.
Для облучения детекторов С И,-39 был использован источник Б-Т нейтронов Государственного научно-исследовательского и проектного института редкометалл и ческой промышленности (ГИРЕДМЕТ) [8]. Б-Т нейтроны генерировались путем бомбардировки мишени из ГгТ2 пучком дейтронов с энергией 350 кэВ. Плотность потока нейтронов на стенке мишенной камеры составляла 4 • Ю10 см~2 с-1.
Детекторы С11-39 помещались на расстоянии 31 см от мишени. Использовались как обычные детекторы, так и детекторы с дополнительным радиатором (50 мкм полиэтилена). Детекторы закреплялись под пятью различными углами (р = 0, 30, 45, 60, 75° между направлением потока нейтронов и нормалью к плоскости детектора. При времени облучения 5 с флюенс нейтронов в области расположения детекторов составил около 2- 108 см~2.
После облучения детекторы подвергались травлению в 6Н растворе А^аОН при температуре 70° в течение 7 часов. (Объемная скорость травления 1,3 мкм/ч.) Исследование полученных треков проводилось на оптическом микроскопе МБИ-9.
Методика подсчета За-событий заключалась в следующем. Из всего многообразия треков, вызванных взаимодействиями Б-Т нейтронов в детекторе, отбирались только треки, удовлетворяющие следующим условиям:
1) Треки должны иметь четкую форму, указывающую направление вылета а-частицы.
2) Направления треков должны сходиться в одной точке с точностью около 10 мкм, что примерно равно среднему диаметру трека а-частицы для данных условий травления.
3) Треки должны располагаться в круге диаметром не более 80 мкм, что соответствует сумме пробега в СИ-39 а-частиц с максимальной энергией, генерированных в реакции (1), и максимального диаметра трека а-частицы.
Микрофотографии различных типов За-событий представлены на рис. 1. В зависимости от количества энергии, переданной нейтроном ядру С12, и направления вылета а-частиц картины За-событий значительно различаются.
Средняя плотность всех треков в детекторе СИ-ЗЭ без радиатора, расположенном под углом (р = 0°, равнялась (1,53 ± 0,05) • 104 см'2. Отсюда можно оценить полную эффективность (т.е. с учетом всех процессов взаимодействия) для нормально падающего потока Б-Т нейтронов. Она равна т]0 = (7, б ± 0,5) • 10~5. Это значение хорошо согласуется с приведенным в [3] значением эффективности (7 — 8) • 10~5.
Плотность За-событий в детекторах до облучения была меньше 1 см~2. Эффектив-
10 мкм
»тэт
Рис. 1. Микрофотографии За-событий в детекторе СВ.-39 (травление в 6Н растворе ИаОН, 7 часов при 70°С).
ность регистрации Б-Т нейтрона по реакции (1) оценивалась как т]3а((р) = N30,(4?)/^, где N30(4?) (см~2) - плотность За-событий при данном угле у?, = 2-108 см~2 - флюенс нейтронов за время облучения. Экспериментально полученные значения т]за('р) приведены на рис. 2. В случае детектора с радиатором зависимость эффективности от угла выражена более ярко.
Среднее значение эффективности определяется как < 7/3а >=< N.За > /ЛГП, где < N30 >= (53® - средняя плотность За-событий для пяти детекторов (с ра-
диатором или без него). В случае детектора без радиатора < т]за >= (4,7± 0,6) • 10" , а с радиатором < г]За >= (1,2±0,1) • Ю-6. Т.о., наличие радиатора увеличивает эффективность регистрации в 2,6 раза. Увеличение эффективности при наличии радиатора связано с тем, что такой детектор регистрирует продукты реакции (1), происходящей не только в слое травления, но и в тонком радиаторе перед детектором (пробег а-частиц с энергией 4 МэВ в полиэтилене около 20 мкм).
В случае детектора без радиатора слой, где происходит регистрация, примерно равен слою травления (около 10 мкм). Отсюда можно оценить вероятность 77 взаимодействия
Пза' Ю' 2.0
а'
I
1.5
1.0
0.5
| * +
+
+
0
15 30 45 60 75 90 ф°
Рис. 2. Эффективность регистрации Б-Т нейтрона в СЯ-39 с помощью реакции (1) ща при различных углах (р. о - детектор без радиатора, X - детектор с радиатором (50 мкм полиэтилена).
О-Т нейтрона в С11-39 по каналу (1):
т] = 1 - ехр(-Агс<т3ах),
где Nc — 3-1022 см'3 - концентрация С12 в С11-39, сг3а = 190 мб-сечение реакции (1) при Еп = 14,5 МэВ, х ~ 10 мкм - толщина регистрирующего слоя, что дает т] ~ 5, б • 10-в. Отношение т}за(0°)/т] ~ 0,07, т.е. только около 7% всех За-распадов удовлетворяют условиям отбора За-событий.
Описанная методика может найти применение для изучения потоков высокоэнергичных нейтронов (Еп > 10 МэВ). Она также позволяет измерить энергию, переданную нейтроном ядру С12. Таким образом, зная порог реакции (1), можно оценить первоначальную энергию нейтрона. Наличие треков трех а-частиц, вылетевших из одной точки, позволяет с хорошей точностью отделять данные события от фоновых. Средние
эффективности регистрации В-Т нейтронов по реакции (1) для детекторов СЯ-39 с радиатором и без него равны соответственно (1,2±0,1) • 10_6 и (4, 7±0, б) ■ Ю-'. Наличие радиатора (50 мкм полиэтилена) дает увеличение эффективной толщины регистрирующего слоя примерно в 2,6 раза.
В заключение авторы выражают глубокую благодарность А. В. Андрееву (ГИРЕДМЕТ) за помощь, оказанную при облучении детекторов Б-Т нейтронами.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Khan Н. A. and Khan N. A. Nucí. Instr. and Meth., 179, 491 (1980).
[2] T u г n e r T. W., H e r s h a w D. L., and F e w s A. P. Nucí. Tracks Rad. Meas., 8, 341 (1984).
[3] O d а К., I t o M., M i y a k e H. et al. Nucí. Instr. and Meth., B35, 50 (1988).
[4] В r a d 1 e y D. А., С h o n g C. S., Saat A., and С h o s e A. M. Nucí. Tracks Rad. Meas., 11, 205 (1986).
[5] M a t i u 1 1 a h K.J. and Durrani S.A. Rad. Prot. Dosimetry, 19, 5 (1987).
[6] H o o t o n В. W., Haque А. V. and Besant С. В. Nucl. Instr. and Meth., 197, 443 (1982).
[7] Физические величины (Справочник под ред. И. С. Григорьева и Е. 3. Мейлихова). М., Энергоатомиздат, 1991, с. 1128.
[8] А н д р е е в A.B., Барит И. Я., В а р и ч О. М. и др. Атомная энергия, 66, вып. 2, 134 (1989).
Поступила в редакцию 29 апреля 1998 г.
