Измерение плотностей потоков нейтронов и мощности эквивалента дозы нейтронов прибором мкс-01

Используя универсальный прибор МКС-01 можно оценить мощность эффективной дозы нейтронов спектра деления двумя способами:

- по измерению плотностей потоков нейтронов различных энергетических групп;

- по непосредственному измерению мощности эквивалента дозы нейтронов.

Все используемые в настоящее время дозиметры-радиометры нейтронов для оперативных измерений основаны на одном и том же физическом принципе – регистрации плотности потока тепловых нейтронов в центре полиэтиленового замедлителя, т.е. используется только один детектор – измеряющий плотность потока тепловых нейтронов. Чтобы измерить другие физические величины – плотность потока быстрых и промежуточных нейтронов, мощность эквивалента дозы нейтронов, нужно к этому же детектору тепловых нейтронов добавлять различные замедлители.

Наиболее просто регистрировать тепловые нейтроны по реакции ¹⁰В + n = ⁷Li + a + Q, где Q - энергия реакции. При этом регистрируются заряженные продукты реакции - a-частица и ядро ⁷Li, имеющие небольшой пробег в чувствительном объеме детектора и теряющие в нем большое количество энергии (несколько мегаэлектронвольт). Обычно используют газовые детекторы, содержащие газ ВF₃, или покрытые бором поверхности внутри газового промежутка, а также сцинтилляционные детекторы, имеющие бор в составе сцинтиллятора. На рисунке 2.5 детектор тепловых нейтронов изображен в виде цилиндрической трубки.

Если окружить детектор тепловых нейтронов (рис. 2.5) сферическим замедлителем диаметром ~ 15 см (этот замедлитель называется внутренним), быстрые и промежуточные нейтроны, пройдя это расстояние, замедлятся до тепловой энергии. Если этот сферический замедлитель покрыть слоем кадмия (для поглощения тепловых нейтронов), то показания детектора тепловых нейтронов будут пропорциональны плотности потока быстрых и промежуточных нейтронов.

Таким образом, измерив плотности потоков тепловых (детектор без замедлителя), быстрых и промежуточных нейтронов (детектор с внутренним замедлителем), можно оценить мощность эффективной дозы нейтронов в точке расположения детектора по формуле (2.6). Так, если используется источник ²⁵²Cf, энергетический диапазон которого разбит, например, на пять частей, мощность эффективной дозы будет равна

, (2.7)

где j_т – плотность потока тепловых нейтронов, нейтр./(см²×с); d_т – дозовый коэффициент для тепловых нейтронов, Зв×см² (табл. 2.2); j_б+пр – плотность потока быстрых и промежуточных нейтронов, нейтр./(см²×с); h_i – вклад нейтронов i-го энергетического промежутка в общий спектр нейтронов деления, отн. ед. (табл. 2.1); d( ) – дозовый коэффициент для перевода плотности потока нейтронов с энергией в мощность эффективной дозы (табл. 2.2, средние энергии энергетических промежутков для ²⁵²Cf представлены в табл. 2.1).

Как известно, непосредственное измерение эффективной дозы невозможно. Но, если окружить небольшой детектор тепловых нейтронов замедляюще-поглощающим веществом, можно подобрать размеры, форму и состав замедлителя таким образом, чтобы показания прибора были пропорциональны значению эффективной дозы (в геометрии ПЗ) в широком диапазоне энергий первичных нейтронов. Применяемый в лабораторной работе дозиметр-радиометр МКС-01 именно так и устроен. Зависимость чувствительности дозиметра МКС-01[17] от энергии нейтронов в диапазоне энергий 10 кэВ – 10 МэВ приведена на рис. 2.5, из которого видно, что в этом диапазоне энергий показания дозиметра практически совпадают со значениями эффективной дозы, вычисленными для передне-задней геометрии. При меньших энергиях нейтронов показания МКС-01 резко падают из-за наличия поглотителя тепловых нейтронов – слоя кадмия внутри замедлителя. При энергиях, больших 4 МэВ, начинается резкое уменьшение показаний прибора МКС-01 и при 10 МэВ они становятся меньше, чем эффективная доза в изотропной геометрии Е(ИЗО). Подобное уменьшение показаний связано с небольшими размерами замедлителя по сравнению с размерами антропоморфного фантома.

Таким образом, в диапазоне 10 кэВ – 4 МэВ показания МКС-01 вполне можно принимать за значения эффективной дозы в геометрии облучения ПЗ. Реальная же доза нейтронов в организме человека формируется протонами, тяжелыми ядрами отдачи, продуктами ядерных реакций с выходом заряженных частиц и фотонами радиационного захвата. Поэтому применение детектора, регистрирующего только тепловые нейтроны, очевидно, не может быть полностью адекватно всем указанным процессам.