Neutronenstraling Hans Beijers (beijers@kvi.nl), KVI-CART KVI-CART, Universiteit van Groningen Januari 19, 2016
Inhoud Neutronen Productie Wisselwerking Dosimetrie Afscherming Detectie H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 2/25
Neutronen Neutron ontdekt in 1932 door J. Chadwick. De kernkracht tussen nucleonen heeft een korte dracht van enkele fm (10 15 m). 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, 19-1-2016 Neutronenstraling 3/25
Productie van neutronen Kernsplijting: geïnduceerd: n + 235 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) Kernreacties: T(α,n), T(p,n), T(d,n), T(γ,n), T(X,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. Van belang zijn de neutronenopbrengst (s 1 ), de hoekverdeling van de geëmitteerde neutronen en het neutronenspectrum: Φ(r, E, Ω, t) vn(r, E, Ω, t) (cm 2 MeV 1 sterad 1 s 1 ) H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 4/25
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: 2 10 11 [n/gy] 0.07 [Gy/s] = 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] ESS, 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, 19-1-2016 Neutronenstraling 5/25
Voorbeelden van neutronenspectra H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 6/25
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 = 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, 19-1-2016 Neutronenstraling 7/25
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, 19-1-2016 Neutronenstraling 8/25
Wisselwerking van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 9/25
Wisselwerking van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 10/25
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, 19-1-2016 Neutronenstraling 11/25
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, 19-1-2016 Neutronenstraling 12/25
Dosimetrie van neutronen Equivalente orgaandosis: H T = R w R D T,R H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 13/25
Dosimetrie van neutronen Effectieve dosis: E = T w T H T = T,R w T w R D T,R Omgevingsdosisequivalent: H (10) = E hφ (E)Φ(E) de H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 14/25
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, 19-1-2016 Neutronenstraling 15/25
Afscherming: neutronen Neutron moderatie via elastische verstrooiing aan kernen: ( ) 2 E = E 0 E = 1 2 (1 α)e A 1 0, met α = A+1 en E0 10 MeV, dus E /E 0 = C (ln E) = ln E0 E ξ = 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 21 H 2 O - - 0.920 23 C 12 0.716 0.158 130 Fe 56 0.931 0.0357 575 H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 16/25
Afscherming: neutronen Afremmen van neutronen in water: H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 17/25
Afscherming van neutronen H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 18/25
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: Ḣ(r, θ) = Ḣ0(Ep,θ)I r 2 e d(θ)/λ(ep,θ) Ḣ 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, 19-1-2016 Neutronenstraling 19/25
Afscherming van neutronen Afscherming van fotonen en neutronen in beton geproduceerd door 60 MeV electronen op metalen target: H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 20/25
Afscherming van neutronen: Skyshine Te weinig afscherming v.h. dak geeft skyshine. Is vaak dominante bijdrage aan dosis op grote afstand faciliteit. Φ(r) = aq 4πr 2 ( 1 e r/µ ) e r/λ a = 2.8, µ = 56 m Afschatting skyshine-dosis: H sky = 3 10 15 r 2 (m) e r/λ Sv/neutron H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 21/25
Afscherming van neutronen: Skyshine Aantal geëmitteerde neutronen: Q = Effectieve skyshine-absorptielengte λ: dak D da P H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 22/25
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. Mn, Co, Cu, Ag, In, Dy, Au Snelle neutronen: Afremmen + thermische-neutrondetector Elastische verstrooiing Activatiefolies Dosimetrie: Rem-counter, track-detector, TLD, bubble-detector H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 23/25
Detectie van neutronen Respons NRG persoons-neutronendosimeter: H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 24/25
H. Beijers, Nivo 3 cursus, RUG, 19-1-2016 Neutronenstraling 25/25