Научные исследования

Метод известных сечений для калибровки быстродействующего нейтронного спектрометра на основе монокристалла стильбена

И.В. Урупа, Е.В. Рябева, Р.Ф. Ибрагимов, В.Д. Сапожников

В данной работе представлена реализация метода энергетической калибровки нейтронного спектрометра на основе органического сцинтиллятора. Предложенный подход позволяет проводить спектрометрию быстрых нейтронов в диапазоне энергий от 1 до 15 МэВ с погрешностью определения энергии не более 200 кэВ, что является существенным улучшением по сравнению с традиционными методами калибровки только по моноэнергетическим линиям.

Актуальность исследования обусловлена нелинейностью зависимости светового выхода от энергии заряженных частиц в органических сцинтилляторах (описываемой законом Биркса), что требует наличия большого числа реперных точек для построения точной калибровочной кривой. Традиционные методы получения таких точек с использованием линейных ускорителей или времени пролета (ToF) являются дорогостоящими и технически сложными.

В качестве альтернативы авторы предлагают «метод известных сечений», суть которого заключается в использовании материалов с известными резонансными особенностями в сечениях взаимодействия с нейтронами (графит и стекло) для модификации спектра источника $^{238}$Pu/Be. Экспериментальная установка включала в себя детектор на основе монокристалла стильбена (Ø40×40 мм) и цифровой анализатор CAEN DT5730B, обеспечивающий нейтрон-гамма разделение по форме импульса (PSD) с показателем качества (FoM) не менее 1,27.

Для реализации метода были проведены два этапа измерений:

1. Получение крайних точек калибровки (2,5 и 14 МэВ) с помощью портативных нейтронных генераторов D-D и D-T типов методом теневого конуса.
2. Получение дополнительных реперных точек в диапазоне 3–10 МэВ путем измерения спектров источника $^{238}$Pu/Be после прохождения через фильтры из графита (35 см) и стекла (35 см). Характерные провалы в зарегистрированных спектрах были сопоставлены с резонансами полных сечений взаимодействия нейтронов с ядрами углерода и кислорода (база данных TENDL-2019).

На основе полученных экспериментальных точек была построена зависимость светового выхода от энергии протонов отдачи в представлении Биркса. Определены параметры сцинтилляционной эффективности (S=0,729S=0,729) и фактора тушения (kB=0,013kB
​=0,013 г·МэВ−1−1
·см−2−2
). Показано, что использование комбинированного метода калибровки снижает расхождение в определении энергии протонов в диапазоне 3–10 МэВ до 0,3 МэВ по сравнению с калибровкой только по двум линиям генераторов.

Развертывание спектров осуществлялось с использованием матрицы отклика, смоделированной в пакете Geant4 с учетом оптических процессов в кристалле, и алгоритма GRAVEL. Сравнение развернутого спектра $^{238}$Pu/Be с литературными данными подтвердило высокую точность метода: отклонение положений пиков не превысило 100 кэВ, а максимальная погрешность определения энергии, оцененная через обратную корреляцию с сечениями взаимодействия, составила 200 кэВ.

Сделан вывод о том, что предложенный метод является коммерчески доступной и эффективной альтернативой калибровке на линейных ускорителях. Он может быть использован не только для настройки спектрометров, но и для верификации резонансных энергий в сечениях реакций взаимодействия быстрых нейтронов с веществом.

Источник: Method of the known cross sections for calibration of the fast neutron spectrometer with a single-crystal stilbene based detector