Metrologia neutronów (cz. II)

• Autorzy: Modzelewski Łukasz , Baranowska Zuzanna , Wołoszczuk Katarzyna , Krajewski Paweł , Jednoróg Sławomir , Łaszyńska Ewa , Szewczak Kamil

Warianty tytułu

EN

Neutron Metrology (p. II)

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Metrologia neutronów to dziedzina nauki, która zajmuje się wykonywaniem pomiarów natężenia pól neutronowych w zakresach energii obejmujących kilkanaście rzędów wielkości i intensywnościach obejmujących do dwudziestu rzędów wielkości. Istotą metrologii neutronów jest oszacowanie ilości neutronów wyemitowanych ze źródła i przechodzących przez pewną określoną powierzchnię (fluencja). W celu zapewnienia zgodności ze standardami (normami) stosowanymi przez różnych użytkowników, wielkości te podlegają pomiarowi, a następnie walidacji. To wszystko służy poznaniu charakterystyki pola neutronów, a co za tym idzie wymaga również znajomości widma energetycznego neutronów. Szeroki zakres energii, dla którego konieczne jest zdefiniowanie standardów fluencji neutronów i równoważników dawek, można podzielić na następujące obszary: termiczny, 1/E, neutronów prędkich i wysokich energii. Problematyka związana z metrologią neutronów łączy w sobie: wielkości podlegające mierzeniu i ich związki, jednostki do ich pomiaru, techniki wytwarzania i pomiaru standardowych pól neutronowych oraz niepewność pomiarów. Poza artykułami i publikacjami zajmującymi się problematyką metrologii neutronów, ważną rolę odgrywają normy międzynarodowe, które opisują wytwarzanie pól neutronów służących kalibracji oraz testowaniu przyrządów pomiarowych. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) wdrożyła standardy opisujące, jak należy wytwarzać pola neutronowe, jak należy te pola standaryzować i używać do celów kalibracji. Normy te były kilkakrotnie aktualizowane i rozszerzane. Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) określiła normatywy opisujące metody testowania urządzeń związanych z ochroną radiologiczną dotyczące urządzeń pomiarowych i dozymetrów osobistych. Normatywy te obejmują metody standaryzacji i kalibracji. W niniejszym artykule przedstawiono przyrządy i opisano metody służące do pomiarów neutronów z podziałem na metody spektrometryczne oraz metody służące do pomiaru fluencji neutronów i metody pasywne. Do celów kalibracji przyrządów potrzebne są standardowe pola neutronów umożliwiające dokonywanie pomiarów przy wszystkich energiach. Sposób, w jaki neutrony oddziałują z materią, zależy od ich energii. Wychwyt neutronów (n,γ) zachodzi głównie przy niskich energiach, podczas gdy cały szereg reakcji jądrowych obejmujący (n, p), (n, α) i reakcje spalacyjne (p, n,n,n,…) występuje przy wyższych energiach. Rozpraszanie neutronów (n, n’) występuje przy wszystkich energiach. Ta różnorodność reakcji powoduje, że wraz ze zmianą energii neutronów i materiałów, z którymi one oddziałują, stosować należy inny element czuły detektora. Metrologia neutronów obejmuje zatem szeroki zakres stosowanych przyrządów pomiarowych. Niekiedy posługujemy się metodami pasywnymi, w których nie wytwarzany jest sygnał elektryczny. Pomiary rozkładu neutronów zarówno względem ich energii, jak i kierunku, są zadaniem niezwykle trudnym i do chwili obecnej nie znaleziono jeszcze satysfakcjonujących metod ich realizacji. Metrologia neutronów wykorzystywana jest w różnych dziedzinach: ochronie radiologicznej, dozymetrii stanów krytycznych, sterowaniu reaktorami jądrowymi oraz dostarczaniu danych wejściowych do projektowania. Jedną z najważniejszych innowacji w metrologii neutronów w ostatnich latach było wykorzystanie kodów transportu neutronów. Obliczenia transportu promieniowania mają długą historię i istotne znaczenie w zrozumieniu stanów obejmujących stosowanie wszystkich rodzajów promieniowania. Ostatnie najistotniejsze zmiany są związane z powszechną dostępnością kodów, łatwością w użyciu i swobodnym dostępem. Zazwyczaj są to kody oparte o metodę Monte Carlo, takie jak MCNP (ang.: Monte Carlo N-particles). Pojawiły się także trójwymiarowe, dyskretne kody deterministyczne jak Attila.

EN

Neutron metrology is a field of science that deals with the measurements of neutron fields intensity in energy ranges covering several ranks of quantities and intensities up to twenty ranks of quantities. The essence of neutron metrology is to estimate the number of neutrons emitted from the source and passing through a certain surface (fluence). In order to ensure compliance with the regulations (standards) used by different users, these quantities are measured, and then validated. This all is done to understand the characteristics of the neutron field, and hence it requires knowledge of the neutron energy spectrum. A wide range of energy, for which it is necessary to define neutron fluency standards and dose equivalents, can be divided into the following areas: thermal, 1/E, fast neutrons and high energies. The issues related to the neutrons metrology combine: measured quantities and their relationships, units for their measurement, techniques of forming and measuring standard neutron fields, and measurement uncertainty. In addition to articles and publications dealing with the issues of neutron metrology, an important role is played by international standards that describe the formation of neutron fields that are used to calibrate and test the measuring instruments. The International Organization for Standardization (ISO) has implemented standards describing how to generate neutron fields, how these fields should be standardized and used for calibration purposes. These standards have been updated and expanded several times. The International Electrotechnical Commission (IEC) has defined the norms describing testing methods of devices related to radiological protection for measuring devices and personal dosimeters. These regulations include standardization and calibration methods. This article presents instruments and description of the methods for neutron measuring with the division into spectrometric methods, methods for measuring neutron fluency and passive methods. Standard neutron fields that enable measurements at all energies are needed in order to calibrate instruments. The way in which neutrons interact with matter depends on their energy. The neutron uptake (n, γ) occurs mainly at low energies, while a whole range of nuclear reactions including (n, p), (n, α) and combustion reactions (p, n, n, n, ...) occur at higher energies. Neutron scattering (n, n ') occurs at all energies. This diversity of reactions causes that along with the change in the energy of neutrons and the materials with which they interact, a different element of the sensitive detector should be used. Thus, neutron metrology covers a wide range of applied measuring instruments. Sometimes we use passive methods in which no electrical signal is produced. Measurements of neutron degradation (disintegration) both in relation to their energy and direction are an extremely difficult task and to this date satisfactory methods of their implementation have not yet been found. Neutron metrology is used in various way, including radiological protection, dosimetry of critical states, control of nuclear reactors and provision of input data for design. One of the most important innovations in neutron metrology in recent years has been the usage of neutron transport codes. Radiation transport calculations have a long history and are important in understanding states involving the use of all types of radiation. The last most important changes are related to the universal accessibility of codes, ease of their use and free access. Typically, these are codes based on the Monte Carlo method, such as the MCNP (Monte Carlo N-particles). There are also three-dimensional, discrete, deterministic codes such as Attila.

Słowa kluczowe

PL

metrologia neutronów; metody pomiarowe neutronów; promieniowanie neutronowe; ochrona radiologiczna

EN

neutron metrology; neutron measurement method; neutron radiation; radiological protection

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Techniczny : Gazeta Inżynierska
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 16-17
• Strony: 18--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Modzelewski Łukasz

• Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, Konwaliowa 7, 03-194 Warszawa

autor

Baranowska Zuzanna

• Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, Konwaliowa 7, 03-194 Warszawa

autor

Wołoszczuk Katarzyna

• Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, Konwaliowa 7, 03-194 Warszawa

autor

Krajewski Paweł

• Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, Konwaliowa 7, 03-194 Warszawa

autor

Jednoróg Sławomir

• Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Hery 23, 01-497 Warszawa

autor

Łaszyńska Ewa

• Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Hery 23, 01-497 Warszawa

autor

Szewczak Kamil

• Instytut Agrofizyki Polskiej Akademii Nauk, Doświadczalna 4, 20-290 Lublin

Bibliografia

• [1] https://www.iso.org/standard/25666.html
• [2] L .F.Curtiss, Introduction to Neutron Physics, D.van Nostrand Co., Inc., Princeton (1962). W ostatniej kolumnie w nawiasach podano wartości z tablic nuklidów (Karlsruhe) z ostatnich lat.
• [3] www. ncbj.edu.pl/zasoby/wyklady/ld_en_jadr_zast/04.pdf
• [4] http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/zal1/pz03/bicki/detneu.htm
• [5] Jędrzejczak K, Pomiar strumienia neutronów w Narodowym Laboratorium Gran Sasso, Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Łódź 2011
• [6] http://www.southeastern-automation.com/Files/Berthold/radiation.html
• [7] http://www.elsenuclear.com/en/bonner-spheres-spectrometer
• [8] https://pl.wikipedia.org/wiki/Licznik_scyntylacyjny
• [9] P . Batistoni, S. Popovichev, A. Cufar, Z. Ghani, L. Giacomelli, S. Jednorog, A. Klix, S. Lilley, E. Laszynska, S. Loreti, L. Packer, A. Peacock, M. Pillon, R. Price, M. Rebai, D. Rigamonti, N. Roberts, M. Tardocchi,D. Thomas,14- -MeVcalibration of JET neutron detectors—phase 1: calibration and characterization of the neutron source, Nucl. Fusion 58 (2018) 026012
• [10] https://nmi3.eu/neutron-research/techniques-for-/dynamics/time-of- -flight-spectroscopy.html
• [11] https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_detector
• [12] M. Rebai, C. Cazzaniga, M. Tardocchi, G. Grosso, G. Croci, E. Perelli Cippo, P. Calvani, M. Girolami, D. M. Trucchi and G. Gorini, Single-crystal Diamond Detector for DT and DD plasmas diagnostic, IL NUOVO CIMENTO 38 C (2015) 195
• [13] http://www.micronsemiconductor.co.uk/diamond-alternative /#diamond-properties
• [14] De Pangher J. and Nichols L.L. 1966 A precision long counter for measuring fast neutron flux density Pacific Northwest Laboratory Report BNWL-260, Pacific Northwest Laboratory
• [15] Romanyukha, A., Minniti, R., Moscovitch, M., Thompson, A.k., and others, 2011, Effect of neutron irradiation on dosimetric properties of TLD-600H (LiF6:Mg,Cu,P), Radiation Measurements 46, ss. 1426-1432
• [16] Vega-Carrilo, H.R., Guzman-Garcia, K.A., Gallego, E., Lorente, A. , 2014, Passive neutron area monitor with pairs of TLDs as neutron detector, Radiation Measurements 69, ss. 30-34
• [17] Gambarini, G., 2003, Thermoluminescent (TL) dosimetry of slow-neutron fields at radiotherapy dose level, Report number INIS-MX--1362, 6. International Conference. 16 National Congress on Solid State Dosimetry; Mexico City (Mexico); 10-12 Sep 2003
• [18] Boschung, M., Fiechtner, A., Mayer, S., Wernli, C., 2008, Field calibration and comparison of personal neutron dosemeter designs based on CR-39 for the use around high-energy accelerators, Radiation Measurements 43, ss. 1081-1084
• [19] Castillo, F., Espinosa, G., Golzarri, J.I., Osorio, D.,Range, J., Reyes, P.G., Herrera, J.J.E., 2013, Fast neutron dosimetry using CR-39 track detectors with polyethylene as radiator, Radiation Measurements 50, ss. 71-73
• [20] Dhairyawan, M.P., Marathe, P.K., Massand, O.P., 2003, Use of CR-39 solid state nuclear track detector in neutron personnel monitoring, Radiation Measurements 36, ss. 435 – 438
• [21] Luszik-Bhadra, M. , 2011, State of the Art in Electronic Dosemeters for Neutrons , AIP Conference Proceedings 1345, 262
• [22] Fiechtner, A., Boschung, M. , Wernli, C., 2004, Present status of the personal neutron dosemeter based on direct ion storage, Radiation Protection Dosimetry 110, ss. 213-217
• [23] Wernli, C., Fiechtner, A., Kahilainen, J., 2000, Neutron dosimetry with Ion Chamber-based DIS System, International congress of the International Rys. 8. Detektor diamentowy [13] Radiation Protection Association, Hiroshima (Japan); 14-19 May 2000

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).