Научные исследования

Монитор выхода нейтронов для импульсных источников излучения

А.П. Денисенко, Е.В. Рябева, Р.Ф. Ибрагимов, М.Ю. Мишин, Ю.В. Михайлов, В.П. Тарасов

В статье представлены результаты разработки и испытаний экспериментального монитора быстрого нейтронного излучения (FNM — Fast Neutron Monitor), предназначенного для измерения выхода нейтронов импульсных источников активационным методом. В качестве активационного материала используется индий. Актуальность работы обусловлена необходимостью оперативной диагностики мощных импульсных систем (например, плазменных фокусов), где традиционные серебряные активационные счетчики требуют слишком длительного времени измерений из-за наличия долгоживущих изотопов.

Конструкция монитора включает блок детектирования нейтронов (NDU) и блок обработки данных (DPU). Блок детектирования состоит из полиэтиленового замедлителя специальной геометрической конфигурации, внутри которого размещены газоразрядные счетчики бета-излучения СБМ-19, обернутые фольгой из индия. Оптимальная геометрия замедлителя и конфигурация счетчиков были определены с помощью математического моделирования в среде Geant4. Использование изотопа $^{116m}In$ ($T_{1/2} = 54$ мин) позволяет сократить время измерения одного импульса до 80–150 секунд, что критично для серийных экспериментов.

Одной из ключевых проблем регистрации мощных импульсов является «мертвое время» счетчиков. Авторы предлагают метод отложенного счета: регистрация начинается после того, как активность индия снизится до критического уровня, не вызывающего перегрузки электроники. Затем производится экстраполяция кривой распада назад к моменту импульса ($t=0$), что позволяет восстановить истинное количество актов активации.

Калибровка прибора проводилась на генераторах ИНГ-102 (2,5 МэВ) и ПИВН-61 (14 МэВ) в диапазоне выходов нейтронов от $4 \cdot 10^4$ до $4 \cdot 10^{11}$ нейтронов/импульс. Градуировочная характеристика демонстрирует линейную зависимость количества зарегистрированных импульсов от известного выхода нейтронов источника в логарифмическом масштабе, подтверждая универсальность метода для различных типов источников.

Серия экспериментов по регистрации импульсного излучения была проведена на генераторе ИНГ-103 с плазменным фокусом ПФ-7 (энергия нейтронов 2,5 МэВ). В качестве эталонного прибора использовалось устройство ПИВН-61. Монитор FNM устанавливался на расстояниях от 15 см до 1,5 м от мишени. Сравнение значений выхода нейтронов, полученных с помощью разработанного монитора и эталонного активационного детектора, показало расхождение, не превышающее статистической погрешности.

Основными источниками погрешности являются статистика набора полезных и фоновых отсчетов, а также точность определения времени начала отсчета. Анализ показал, что при высоких выходах нейтронов доминирующим фактором становится статистика распада индия.

Сделан вывод, что разработанный монитор быстрого нейтронного излучения (FNM) позволяет измерять выход импульсных источников в широком динамическом диапазоне ($4 \cdot 10^4 - 4 \cdot 10^{11}$ нейтронов/импульс) с временем измерения не более 150 секунд. Использование индия вместо серебра и метода отложенного счета с экстраполяцией позволило создать компактное устройство, устойчивое к сопутствующим рентгеновскому и электромагнитному излучениям, что делает его перспективным для диагностики плазменных фокусов и других импульсных систем.

Истоник: Neutron yield monitor for pulsed radiation sources