книги из ГПНТБ / Альбедо нейтронов
..pdfАЛЬБЕДО НЕЙТРОНОВ
3
МОСКВА АТОМИЗДАТ 1973
У Д К 621.039.58:537.531
''1 '.f
Альбедо нейтронов. M., Лтоммздат, 1973, стр. 280. (Авт. Т. Л. Г е р м о г е и о в а, В. Г. З о л о т у х и н , В. А. К л и м а и о в, В. П. M а ш к о в н ч, А. И. M н с ь-
ке в и ч, А. П. С у в о р о в.)
Вработе собраны, систематизированы и проанализи рованы имеющаяся в литературе информация п полу ченные авторами книги данные по характеристикам об
ратного рассеяния (альбедо) тепловых, промежуточных |
|
и быстрых нейтронов, |
рассмотрены методы получения |
характеристик альбедо, |
проанализированы основные Фи |
зические закономерности формирования поля отражен ного излучения, рассмотрено явление квазиальбедо.
Большая часть полученной авторамп на ЭВМ инфор мации о дифференциальных характеристиках альбедо моионаправлепных моноэиергетпческих (заданы в виде импульсов в узких энергетических интервалах) источни ков публикуется впервые.
Приведенная в книге количественная информация может быть использована для определения поля отра
женного |
нейтронного излучения |
для большинства прак |
|||||
тических |
задач |
работы |
с нейтронными |
источниками. |
|||
Данные, помещенные в книге, необходимы для ра |
|||||||
счета отраженного излучения |
в задачах |
дозиметрии и |
|||||
защиты |
от |
излучений, раднаннонноіі физики |
и техники |
||||
и др. |
|
|
|
|
|
|
|
Таблиц |
39, |
рисунков |
75, |
библиография |
202 назв. |
А |
0317—037 |
37—73 |
Атоыиздат, 1973 |
|
034(01)—73 |
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
При решении большого круга задач, возникающих в связи с использованием источников ионизирующих излучений в раз личных областях (физика защиты', дозиметрия, радиометрия, радиационная техника и т. д . ), необходимо учитывать обратно рассеянное (отраженное) от среды излучение.
Наибольший в к л а д в поле излучения дает отраженная радиация, когда детектор экранирован от попадания в него
нерассеянного излучения |
источника. |
|
|
|
Явление обратного |
рассеяния |
(альбедо) |
излучений |
имеет |
две стороны — негативную и позитивную. |
|
|
||
С негативной стороной этого явления мы |
сталкиваемся |
вся |
||
кий раз, когда обратно |
рассеянная |
радиация |
дает дополнитель |
ный в к л а д в поле излучения и приводит к повышению уровня облучения обслуживающего персонала, к повышению уровня фонового излучения. В таких случаях необходимо принимать со ответствующие меры для подавления этого излучения.
С позитивной стороной явления мы встречаемся, когда используем закономерности обратного рассеяния излучений д л я
распознавания |
параметров и |
качеств о т р а ж а т е л я |
в радиоизо- |
||||||
топном |
приборостроении. |
|
|
|
|
|
|
||
Приведем примеры некоторых задач, где должна |
быть учтена |
||||||||
о т р а ж е н н а я радиация |
(рис. |
П . 1) . Типичные траектории |
рас |
||||||
сеянных |
частиц |
или квантов |
на |
схемах |
рис. П.1 |
изображены |
|||
условно |
стрелками. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В к л а д отраженного |
излучения |
необходимо |
учитывать |
в за |
|||||
дачах |
физики |
радиационной |
защиты |
(рис. |
П . 1, а — г): |
при |
прогнозировании поля излучения в защитах с неоднородностями
(см. |
рис. П.1, |
а) |
[ 1 ] , |
при |
расчетах |
теневых |
з а щ и т |
(см. |
||||
рис. П . 1, б), |
при |
определении |
вклада в поле излучения, отра |
|||||||||
женного от оборудования, стен, пола и |
потолка |
помещений |
||||||||||
(например, |
реакторного |
з а л а ) |
(см. рис. |
П . 1, е ) , |
отраженного |
|||||||
от окружающего |
|
источник |
воздуха |
(см. рис. П . 1, г) |
или от |
|||||||
других границ раздела сред. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Поясним |
некоторые |
из отмеченных |
выше |
примеров. |
|
|
||||||
П о л е излучения |
за защитой от мощного |
источника |
излуче |
|||||||||
ния |
(например, реактора |
или |
ускорителя, |
см. |
рис. П . 1, s) |
опре- |
дел я ется не только излучением, выходящим из биологической защиты и попадающим сразу в детектор, но т а к ж е в значи тельной степени радиацией, покидающей защиту установки и
Область
применение Типичные геометрии задач источникоб
излучения
а |
5 |
а- |
|
в |
|
<ъ
а
о.
g
з
a
S-S-
? § tu s?
a
§1
§1
a
CL
Рис. ПЛ. Геометрии задач различных областей ис пользования источников ионизирующих излучении, решаемых с учетом обратно рассеянной радиации:
S — источник; D — детектор.
отраженной перед детектированием от стен, пола и. потолка экспериментального з а л а . Неучет отраженного излучения может существенно занизить уровень радиации и исказить ее энерге
тический |
спектр. |
|
Конкретизируем пример рис. ПА, г. Если на |
этом рисунке |
|
в качестве |
источника излучения S предположить |
электоонный |
ускоритель с энергией 40 Мэв |
со |
средним |
током |
на |
тяжелой |
||||||||
мишени оптимальной |
толщины |
100 |
ма, |
заглубленный |
на |
4 м |
|||||||
в землю, |
то |
в точке |
детектирования |
D |
на |
поверхности |
земли |
||||||
на расстоянии 30 м от мишени |
мощность дозы |
фотонейтронов, |
|||||||||||
отраженных |
от воздуха, |
будет |
превышать |
предельно |
допусти |
||||||||
мую величину для профессионального |
облучения |
примерно в |
|||||||||||
5 - 10ѳ раз |
[ 2 ] . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Насколько существенным может быть в к л а д отраженной |
|||||||||||||
радиации, |
показывают |
приведенные |
на |
рис. |
П.2 |
измеренные. |
0 10 20 30 z/a
Рис. П.2. Зависимость отношения плотностей потоков бы стрых нейтронов, отраженных от стенок канала, и нерас сеянного излучения точечного изотропного (Ро—а—Ве)-
псточпнка |
Фотр/Фир от расстояния |
вдоль |
оси |
канала |
г, |
||
выраженного в числе радиусов канала |
а: |
|
|||||
для каналов |
радиусом |
а=3,3 |
см (О). 5,7 |
см (•), |
8,3 |
см (Д) а |
за |
щите из |
бетона. |
Вверху |
справа — геометрия |
эксперимента. |
|
отношения отраженного излучения от стенок круглого цилиндри
ческого |
канала |
в защите Ф 0 Т р |
к нерассеянному излучению |
|
источника Ф,,р |
[ 1 ] . Приведенные |
данные свидетельствуют |
о том, |
|
что при |
относительных расстояниях вдоль оси канала |
z/a~8 |
плотность потока отраженного нейтронного излучения соизмери ма с плотностью потока нерассеянного излучения источника.
Одной из больших и перспективных областей применения данных о поле отраженного излучения является их использо
вание при |
достаточно строгом расчете реальных реакторных |
||
з а щ и т сложной |
конструкции |
(с учетом неоднородностей, обо |
|
рудования |
и т. |
д . ), большой |
протяженности с трехмерной гео |
метрией. Современный уровень вычислительной техники не позволяет пока еще определять поле излучения сразу для всей сложной «составной системы», какой является реальная биоло гическая з а щ и т а ядерного реактора. Поэтому такие составные
системы разбиваются |
на |
отдельные элементы. Последние, в |
свою очередь, т а к ж е |
могут |
быть совокупностями областей раз- |
5
личной конфигурации и компоновки, но более простыми и в ка
кой-то степени симметричными. |
Д а л е е поле |
излучения |
находят |
для каждого такого элемента |
(с помощью, |
например, |
двумер |
ных программ) с постановкой эффективных граничных условий,
учитывающих наличие смежных |
областей. Д л я определения |
ин |
|||||
тенсивности отраженного излучения ' необходимо знать |
диффе |
||||||
ренциальные характеристики альбедо различных сред для |
раз |
||||||
ных углов падения и отражения |
излучения. |
|
|
|
|||
В |
дозиметрии |
и радиометрии |
(см. рис. П . 1, д — е) отражен |
||||
ную |
радиацию |
необходимо |
учитывать, например, |
при |
оценке |
||
в к л а д а рассеянной радиации |
в |
показания приборов |
при |
прове |
дении градуировочных работ с аппаратурой в ограниченных помещениях (см. рис. П . 1, д),' при расчете коллиматоров излу чения (см. рис. П . І . е ) и т. д.
Использование явлений альбедо в радиационной технике проиллюстрировано на рис. П.1 на примере двух из большого количества действующих радионзотопных приборов: толщино мера (см. рис. П . 1, ж ) и плотномера (см. рис. П . І . з ) . Исполь зование отраженного излучения в радиоизотопном приборострое нии основано на том, что характеристики обратно рассеянного излучения зависят от геометрической формы, габаритов, хими
ческого |
состава, агрегатного состояния |
о т р а ж а т е л я , |
взаимной |
||
ориентации детектора и |
рассеивателя |
и |
т. д. В а ж н ы е |
преиму |
|
щества |
радионзотопных |
приборов — бесконтактность |
системы |
||
определения исследуемых параметров, |
независимость показаний |
||||
приборов от параметров |
внешней среды. |
|
|
Особое внимание исследователей к вопросам альбедо было привлечено в течение последних пятнадцати — двадцати лет.
Кнастоящему времени достаточно полно исследовано и
описано альбедо у - ! |
І З Л У ч е н и я - |
Н а и б о л е е |
полный |
обзор, |
систе |
|||||||||||||
матизация |
и анализ |
расчетных |
и |
экспериментальных |
исследо |
|||||||||||||
ваний |
о т р а ж е н и я |
у-квантов |
приведены |
в |
монографии |
|
[ 3 ] . |
|
||||||||||
Значительно |
х у ж е |
обстояло |
дело с |
рассеянием |
нейтронов: |
|||||||||||||
не х в а т а л о многих характеристик отраженного |
излучения, |
не |
||||||||||||||||
было достаточно полных обобщений выполненных |
исследований |
|||||||||||||||||
(исключение в этом отношении |
представляют обзорные |
разделы |
||||||||||||||||
в книгах |
[ 1 , 4, |
5 ] ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Н а с т о я щ а я |
книга |
посвящена |
проблеме |
обратного |
рассеяния |
|||||||||||||
нейтронов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Анализ |
опубликованных |
к- |
1965 г. данных показал необхо |
|||||||||||||||
димость |
проведения |
исследований |
по |
определению |
характери |
|||||||||||||
стик отраженных |
нейтронов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Эти исследования проводились авторами книги с 1965 г. в |
||||||||||||||||||
следующих |
основных |
направлениях: а) |
расчеты методом Монте- |
|||||||||||||||
К а р л о |
на |
Э В М |
альбедо |
д л я |
источников быстрых |
нейтронов |
от |
|||||||||||
воды и |
ж е л е з а |
(подробные данные д л я |
бетона |
опубликованы |
в |
|||||||||||||
работе |
[6]); |
б) |
расчеты |
методом |
дискретных |
ординат |
на |
Э В М |
6
а л ь б е до нейтронов |
всех |
энергий, включая |
промежуточную |
об |
||||||||
ласть; |
в) создание |
полуэмпирических |
|
моделей расчетов |
(метод |
|||||||
«-го столкновения) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
К а к |
и для |
источников |
у _ к в а н ' г о в |
|
[ 3 ] , |
наиболее |
целесооб |
|||||
разно |
было проводить |
исследования |
для |
дифференциальных |
||||||||
характеристик |
поля |
мононаправленных |
моноэнергетических |
(за |
||||||||
даны в виде импульсов в узких энергетических |
интервалах) |
|||||||||||
источников. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поле отраженного излучения для многих |
/других |
задач |
||||||||||
можно |
рассчитать |
из |
этих |
данных |
при помощи |
преобразова |
||||||
ний [ 3 ] . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, |
целью настоящей |
книги |
являлись |
изложение |
развитых авторами методов и результатов расчетов, система
тизация и анализ имеющейся в литературе |
информации . |
|
|||||||||
Следует отметить, что |
большая |
часть полученной |
авторами |
||||||||
информации |
публикуется |
в |
книге |
впервые. Д а н н ы е , |
приведен |
||||||
ные в |
книге, |
ограничиваются |
энергетическим диапазоном |
реак |
|||||||
торных и изотопных источников излучения. Частично |
результаты |
||||||||||
исследований |
приведены в статьях |
[7 — 11] . |
|
|
|
|
|||||
Книга состоит из шести |
глав. |
|
|
|
|
|
|||||
I |
глава — вводная. |
В |
ней рассматриваются |
определения и |
|||||||
терминология |
характеристик |
альбедо, процессы |
взаимодействия |
||||||||
нейтронов с веществом |
и |
удобная для многих задач двухгруп- |
|||||||||
повая |
модель |
формирования |
поля |
отраженных |
нейтронов. |
||||||
Во |
I I главе |
излагаются |
наиболее распространенные и час |
||||||||
тично |
развитые |
авторами |
расчетные методы |
определения |
х а р а к |
теристик отраженных нейтронов: метод Монте - Карло, метод
дискретных ординат, диффузионное и возрастное |
приближения, |
|
метод д-го столкновения. Здесь |
ж е кратко рассмотрены осо |
|
бенности экспериментальных методов определения |
характеристик |
|
отраженных нейтронов. |
|
|
I I I — V главы — основные. Они |
несут читателю |
качественнуи |
и количественную Информацию по обратному рассеянию тепле
вых, |
промежуточных |
и быстрых |
нейтронов |
соответственно |
|
В этих главах дается |
анализ основных работ |
разных |
авторов |
||
приводятся табличные |
данные для характеристик альбедо. |
||||
V I |
глава — заключительная . В |
ней анализируются |
наиболее |
в а ж н ы е закономерности формирования поля отраженного из
лучения. М а т е р и а л ы этой главы вместе |
с приведенной в I I I — |
||
V главах информацией позволяют читателю решать |
практиче |
||
ские задачи альбедо нейтронов для большинства |
интересных |
||
случаев работы с нейтронными источниками. |
|
||
Книга предназначена для |
инженеров, |
аспирантов, |
студентов |
и всех • научно-технических |
работников, |
специализирующихся |
по вопросам защиты от излучений, радиационной физики, тех ники или смежных областей, связанных с использованием источ ников радиации в различных областях науки, техники и народного хозяйства.
7
П о л н а я |
программа |
расчета альбедо |
быстрых |
нейтронов |
||||
методом |
Монте - Карло |
дл я |
Э В М |
М-20 |
была |
составлена |
||
Л . Я. Гудковой, |
специализированная альбедная |
программа |
||||||
Р О З - I I I составлена |
Е. И. Панфиловой . Авторы |
пользуются слу |
||||||
чаем выразить им глубокую благодарность за |
составление |
|||||||
программ и проведение расчетов. |
|
|
|
|
||||
Авторы |
приносят глубокую |
благодарность |
всем |
т о в а р и щ а м |
||||
по работе, |
с которыми |
о б с у ж д а л а с ь |
проблема |
альбедо нейтро |
нов, особенно О. И. Ленпунскому, В. В. Орлову, С. Г. Цыпину,
М. Я. Кулаковскому, Д . В. П а н к р а т о в у , за иепиые |
советы и |
|
внимание к |
работе. |
|
Авторы |
т а к ж е признательны А. Г. Емелниу, В. Р . |
Ж и в о в у , |
И. Н. Качанову, М. Г. Кобозеву, О. Г. Петрову, В. А. Уткину за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА
1.Золотухин В. Г. и др. Прохождение излучении через неоднородности в защите. Под ред. О. И. Леііпунского, В. П. Машковича. М., Атомпздат, 1968.
2.Булатов Б. П. и др. В сб.: Вопросы дозиметрии и защиты от излучении. Под ред. Л. Р. Кимеля. Вып. 5. М., Атомпздат, 1966, стр. 5.
3. |
Булатов |
Б. П. и др. Альбедо |
гамма-излучения. М., Атомпздат, 1968. |
||||
4. |
Руководство |
по радиационной |
защите для инженеров. Т. 1. Сокр. |
перев. |
|||
|
с англ. Под |
ред. Д. Л. Вродера н др. М., Атомпздат, |
1972. |
|
|||
5. |
Гусев Н. Г. н др. Защита |
от |
ионизирующих излучений. Т. 1. Физические |
||||
|
основы |
защиты от излучении. |
Под ред. Н. Г. Гусева. М., Атомпздат, |
1969. |
|||
6. |
Maerker |
R., |
Muckenthaler |
F. |
US AEC Rep. ORNL-3822 |
(1965). |
|
7. |
Гудкова |
Л. Я. и др. «Атомная |
энергия», 22, 122 (1967). |
|
|
||
8. |
Гудкова |
Л. Я. и др. «Атомная |
энергия», 25, 222 (1968). |
|
|
9.Емелин А. Г. п др. В сб.: Вопросы дозиметрии и защиты от излученийПод ред. Л. Р. Кимеля. Вып. 9. М., Атомпздат, 1969, стр. 7.
10.Золотухин В. Г. и др. В сб.: Проблемы защиты от проникающих излуче нии реакторных установок. Т. 2. Мелекесс, СЭВ, 1969, стр. 179,
11, Гермогенова Т, А. и др. Там же. Т. 4, стр, 35,
Г Л А В А I
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Н а с т о я щ а я |
глава является |
вводной |
в |
книгу. |
Ц е л ь |
этой |
|||||
главы — однозначно |
сформулировать |
основные понятия и |
опре |
||||||||
деления, связанные с обратным рассеянием нейтронов |
(см. |
||||||||||
разделы 1.1, |
1.2), |
кратко |
описать |
закономерности |
процессов |
||||||
взаимодействия |
нейтронов |
с веществом |
(см. |
раздел |
1.3). |
|
|||||
Особое внимание обращено на понятия токовых и потоковых |
|||||||||||
характеристик поля излучения, широко используемых в |
проб |
||||||||||
леме |
альбедо. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определения |
дифференциальных |
и интегральных |
характери |
||||||||
стик |
альбедо |
рассмотрены |
применительно |
к |
мононаправленным |
||||||
источникам, |
так |
как |
другие |
виды |
источников |
по угловому |
рас |
пределению излучения могут быть получены при помощи
преобразований [ 1 ] . Этим |
объясняется особое внимание, кото |
рое в расчетных работах |
было уделено мононаправленным |
источникам: именно для этого вида источников имеется в лите
ратуре наибольшая |
информация . |
|
|
Особое |
место |
в проблеме альбедо |
занимает н а ш е д ш а я |
широкое |
использование двухгрупповая |
(по угловому распре |
делению излучения) модель формирования поля отраженного излучения. Этой модели посвящен раздел 1.4 главы.
1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ |
ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ |
В наиболее общем |
виде под полем излучения понимается |
временное пространственно-энергетическое угловое распределе
ние излучения в рассматриваемой среде. |
|
|
|||
Т а к как |
в з а д а ч а х |
альбедо в |
настоящей |
работе рассматри |
|
ваются стационарные явления, то временные |
зависимости в |
||||
наших з а д а ч а х из рассмотрения исключены. |
|
|
|||
Полное |
представление о поле |
нейтронов |
в |
пространстве, |
|
в том числе и о поле обратно рассеянного |
излучения, можно |
||||
получить, если у к а з а т ь |
сколько нейтронов *, |
с |
какой энергией |
* Аналогичные определения можно сформулировать для квантов или ча стиц других видов.
9