Neutronenstraling. Hans Beijers KVI-CART. February 6, KVI-CART, Universiteit van Groningen

Transcriptie

1 Neutronenstraling Hans Beijers KVI-CART KVI-CART, Universiteit van Groningen February 6, 2018

2 Inhoud Neutronen Productie Wisselwerking Dosimetrie Afscherming Detectie H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 2/25

3 Neutronen Neutron ontdekt in 1932 door J. Chadwick. De kernkracht tussen nucleonen heeft een korte dracht van enkele fm (10 15 m) en is aantrekkend met een kracht van ongeveer 100x de elektromagnetische kracht. m n = MeV/c 2 (m p = MeV/c 2 ) q n = 0 ; r n = 0.8 fm Neutronen wisselwerken met kernen, niet met elektronen Vrije neutron is instabiel (T 1/2 = min) en vervalt via zwakke wisselwerking: n p + e + ν e H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 3/25

4 N-Z map H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 4/25

5 Bindings energie H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 5/25

6 Productie van neutronen Kernreacties: T(α,n), T(p,n), T(d,n), T(X,n), T(γ,n) De drempel-energie is 8 MeV, maar bij lichte kernen zoals Li en Be veel lager. De (α/γ,n) reacties worden gebruikt in radioactieve neutronenbronnen, bijv. 241 Am- 9 Be bronnen. Kernsplijting: geïnduceerd: n U, 239 Pu X + Y + νn spontaan: 252 Cf X + Y + νn Kernfusie: d + t 4 He 2+ (3.5 MeV) + n(14.1 MeV) Van belang zijn de neutronenopbrengst (s 1 ), de hoekverdeling van de geëmitteerde neutronen en het fluentietempo: Φ(s 1 m 2 ) = v(ms 1 ) n(m 3 ) H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 6/25

7 Neutronen yields 1 Ci Am-Be bron: 1 [Ci] [n/(sci)] = [n/s] 15 MeV radiotherapie linac: 0.07 [Gy/s] [n/gy] = [n/s] 190 MeV p cyclotron, 50 na: [C/s] [C/p] 0.3 [n/p] = [n/s] ESS, 2.5 GeV p linac, 2 ma: [C/s] [C/p] 30 [n/p] = [n/s] 1 GWe kernreactor: [J/s] [J/fis] 2.5 [n/fis] 0.04 = [n/s] 1 GWe fusiereactor: [J/s] [J/fus] 1 [n/fus] 0.04 = [n/s] H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 7/25

8 Voorbeelden van neutronenspectra H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 8/25

9 Wisselwerking van neutronen Verschillende reactie mechanismen: direct, pre-equilibrium, compound nucleus Q-waarde: Q = [m a + m b (m c + m d )] c 2 Werkzame doorsnede σ varieert van mb tot Mb: 1 barn = cm 2 σ (cm 2 ) = P Φ = Σ J P J Φ = σ s + σ a = = σ n,n + σ n,n + σ n,γ + σ n,α + σ n,p + σ n,f +... Macroscopische werkzame doorsnede: Σ = µ (cm 1 ) Σ σ n t = σρn A A 1 λ mfp Reactietempo: R = Φ Σ (s 1 cm 3 ) H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 9/25

10 Wisselwerking van neutronen Classificatie van neutronen m.b.t. interacties: Thermische neutronen: E n < 0.5 ev neutronvangst A(n, γ), elastische botsingen A(n, n), splijting, roostereffecten Epithermische neutronen: 0.5 ev < E n < 200 kev elastische botsingen A(n, n), resonanties A(n, n ) Snelle neutronen: 200 kev < E n < 20 MeV (in)elastische botsingen, resonanties, splijting Relativistische neutronen: E n > 20 MeV inelastische botsingen, spallatie H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 10/25

11 Wisselwerking van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 11/25

12 Wisselwerking van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 12/25

13 Wisselwerking van neutronen: Activering Neutroneninteracties resulteren vaak in radioactieve productkernen, bijv. splijtingsproducten 90 Sr, 137 Cs, 14 N(n,p) 14 C, 40 Ar(n,γ) 41 Ar,... Geïnduceerde activiteit per volume-eenheid: dn dt = ΦΣ λn n(t) = ΦΣ λ (1 e λt ), dus a(t) = λn(t) = ΦΣ(1 e λt ) 0 < t < t i a(t c ) = ΦΣ(1 e λt i ) e λtc t c = t t i > 0 H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 13/25

14 Dosimetrie van neutronen Neutronen zijn indirect ioniserend: A(n,n ), A(n,p), A(n,d), A(n,α),.. Energie-overdrachtscoëfficiënt: µ tr = 1 E ɛ ij σ ij n i (cm 1 ) i,j n i = aantal atomen van type i per volume-eenheid, j = reactietype, E = neutronenergie, ɛ ij = energie van secundair geladen deeltje Kerma: K = Φ(E) E µtr ρ de = D Bepaald door: 14 N(n,p) 14 C bij lage energieën 1 H(n,n ) 1 H bij hogere energieën H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 14/25

15 Dosimetrie van neutronen Equivalente orgaandosis: H T = R w R D T,R H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 15/25

16 Dosimetrie van neutronen Effectieve dosis: E = T w T H T = T,R w T w R D T,R Omgevingsdosisequivalent: H (d) = E hφ (E)Φ(E) de d = 10, 3, 0.07 mm H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 16/25

17 Afscherming van neutronen Transmissiefactor: Tr(d) = H shield H unshield Neutronentransport in afscherming Φ(r, E) Probleem: E th (mev) < E < E 0 (MeV) Neutronenafscherming gebaseerd op afremmen (modereren) van snelle neutronen d.m.v. elastische botsingen in H-houdende materialen. Modereren van snelle en relativistische neutronen via inelastische botsingen in een materiaal met een (middel)hoge-z gevolgd door materiaal dat veel waterstof bevat. Daarna absorptie v.d. gethermaliseerde neutronen via vangstreacties, bijv. 1 H(n,γ), 6 Li(n,α), 10 B(n,α), 113 Cd(n,γ),... Beschouw ook afscherming van secundaire fotonen, stroming door kanalen en labyrinten en skyshine. H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 17/25

18 Afscherming: neutronen Neutron moderatie via elastische verstrooiing aan kernen: ( A 1 ) 2 E = E 0 E = 1 2 (1 α)e 0, met α = A+1 en E0 10 MeV, dus E /E 0 = 1 E0 2 (1 α) ξ ln E = 1 + α 1 α ln α 2 A+ 2 3 ξ = gemiddeld logaritmisch decrement; u = ln E0 E neutron lethargie Gemiddeld # botsingen voor afremmen: n = 1 E0 ξ ln E Materiaal A α ξ n(2 MeV 25 mev) H H 2 O C Fe H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 18/25

19 Afscherming: neutronen Afremmen van neutronen in water: H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 19/25

20 Afscherming van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 20/25

21 Afscherming van neutronen Berekenen van neutronentransport in afscherming: deterministische transport vgl. en/of stochastische Monte Carlo simulatie. Bereken Φ(r, E) in afscherming: transmissie vooral bepaald door Φ snel, secundaire fotonenproductie door Φ th. Voldoend dikke afscherming: H(r, θ) = Ḣ0(Ep,θ)I r e d(θ)/λ(ep,θ) 2 H 0 (E p, θ) en λ(e p, θ) voor protonbundel gestopt in ijzeren bundelstop omgeven door betonnen afscherming: H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 21/25

22 Afscherming van neutronen: Skyshine Te weinig afscherming v.h. dak geeft skyshine. Is vaak dominante bijdrage aan dosis op grote afstand faciliteit. Neutron-fluentie Φ(r) door dak: Φ(r) = Q 4πr 2 e r/λ Q = bronterm, λ = verzwakkingslengte H (10) t.g.v. skyshine: H sky (r) = h Φ Φ(r) Sv H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 22/25

23 Afscherming van neutronen: Skyshine dak Aantal geëmitteerde neutronen: Q = Effectieve skyshine-verzwakkingslengte λ: H0 da P H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 23/25

24 Detectie van neutronen Thermische neutronen: reactie Detector Q (MeV) σ (b) 10 B+n 7 Li+ 4 He prop. teller 2.31, Li+n 3 H+ 4 He scintillator He+n 3 H+ 1 H prop. teller U+n X+Y+νn ionisatie kamer Activatiefolies: Bijv. 55 Mn, 59 Co, 63 Cu, 109 Ag, 115 In, 164 Dy, 197 Au Snelle neutronen: Afremmen + thermische-neutrondetector Elastische verstrooiing Activatiefolies Dosimetrie: Rem-counter, track-detector, TLD, bubble-detector H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 24/25

25 H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, Neutronenstraling 25/25