Neutronenstraling Hans Beijers (beijers@kvi.nl), KVI-CART KVI-CART, Universiteit van Groningen 1 Februari, 2021
Inhoud Neutronen Productie Wisselwerking Dosimetrie Afscherming Detectie H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 2/23
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 = 939.565 MeV/c 2 (m p = 938.272 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 = 10.184 min) en vervalt via zwakke wisselwerking: n p + e + ν e H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 3/23
N-Z map H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 4/23
Bindings energie m nuc = Zm p + Nm n m B(Z, N) = m c 2 = (Zm p + Nm n m nuc ) c 2 Massa getal A = Z + N H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 5/23
Productie van neutronen Kernsplijting: geïnduceerd: n + 235 U, 239 Pu X + Y + νn, ν = 2, 3 spontaan: 252 Cf X + Y + νn, ν = 2, 3 Kernfusie: d + t 4 He 2+ (3.5 MeV) + n(14.1 MeV) 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 ( 4 2 He+9 4 Be 12 6 C + 1 0 n). Foto-neutronen: T(γ,n), vooral van belang bij elektronen versnellers (remstraling). Wisselwerkings mechanismen: i) giant-dipole, ii) quasi-deuteron, iii) pion produktie. Van belang zijn de neutronenopbrengst (s 1 ), de hoekverdeling en het energiespektrum van de geëmitteerde neutronen. Het fluentietempo is: Φ(s 1 m 2 ) = v(ms 1 ) n(m 3 ) H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 6/23
Neutronen yields 1 Ci Am-Be bron: 1 [Ci] 2.2 10 6 [n/(sci)] = 2.2 10 6 [n/s] 15 MeV radiotherapie linac: 0.07 [Gy/s] 2 10 11 [n/gy] = 1.4 10 10 [n/s] 190 MeV p cyclotron, 50 na: 50 10 9 [C/s] 1.602 10 19 [C/p] 0.3 [n/p] = 9.4 1010 [n/s] European Spallation Source, 2.5 GeV p linac, 2 ma: 2 10 3 [C/s] 1.602 10 19 [C/p] 30 [n/p] = 4 1017 [n/s] 1 GWe kernreactor: 3 10 9 [J/s] 2 10 8 1.602 10 19 [J/fis] 2.5 [n/fis] 0.04 = 9.4 1018 [n/s] 1 GWe fusiereactor: 3 10 9 [J/s] 14 10 6 1.602 10 19 [J/fus] 1 [n/fus] 0.04 = 5.4 1019 [n/s] H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 7/23
Voorbeelden van neutronenspectra H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 8/23
Wisselwerking van neutronen Verschillende reactie mechanismen: direct, pre-equilibrium, compound nucleus Q-waarde voor reactie a(b,c)d: Q = [m a + m b (m c + m d )] c 2 Werkzame doorsnede σ varieert van mb tot Mb: 1 barn = 10 24 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, 10-2-2020 Neutronenstraling 9/23
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, 10-2-2020 Neutronenstraling 10/23
Wisselwerking van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 11/23
Wisselwerking van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 12/23
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 a(t): dn dt = ΦΣ λn, n(0) = 0 n(t) = Ce λt + ΦΣ λ, n(0) = 0, dus n(t) = ΦΣ λ (1 e λt ) zodat a(t) = λn(t) = ΦΣ(1 e λt ) voor 0 < t < t i en a(t c ) = ΦΣ(1 e λt i ) e λtc voor t c = t t i > 0. H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 13/23
Dosimetrie van neutronen: Fysische grootheden Neutronen zijn indirect ioniserend: A(n,n ), A(n,p), A(n,d), A(n,α),... (niet naar elektronen!) 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, 10-2-2020 Neutronenstraling 14/23
Dosimetrie van neutronen: Limiterende grootheden Equivalente orgaandosis: H T = R w R D T,R H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 15/23
Dosimetrie van neutronen: Limiterende grootheden 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, 10-2-2020 Neutronenstraling 16/23
Afscherming van neutronen Transmissiefactor: Tr(d) = H shield H unshield = N(d) N(0) Be µd 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, 10-2-2020 Neutronenstraling 17/23
Afscherming: modereren van 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 1 0 1.000 18 H 2 O - - 0.920 20 C 12 0.716 0.158 115 Fe 56 0.931 0.0353 516 H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 18/23
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) per proton: H(r, θ) = H0(Ep,θ) r 2 e d(θ)/λ(ep,θ) 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, 10-2-2020 Neutronenstraling 19/23
Afscherming van neutronen: Skyshine Te weinig afscherming v.h. dak geeft skyshine. Is vaak dominante bijdrage aan dosis op grote afstand faciliteit. Skyshine neutron-fluentie Φ(r) op afstand r v.d. bron: 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, 10-2-2020 Neutronenstraling 20/23
Afscherming van neutronen: Skyshine Bronterm Q: aantal jaarlijks door het dak gaande neutronen Effectieve skyshine-verzwakkingslengte λ: H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 21/23
Detectie van neutronen Thermische neutronen: reactie Detector Q (MeV) σ (b) 10 B+n 7 Li+ 4 He prop. teller 2.31, 2.79 3840 6 Li+n 3 H+ 4 He scintillator 4.78 940 3 He+n 3 H+ 1 H prop. teller 0.765 5330 235 U+n X+Y+νn ionisatie kamer 200 583 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, 10-2-2020 Neutronenstraling 22/23
H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 10-2-2020 Neutronenstraling 23/23