Эффективность регистрации нейтронных детекторов различной геометрии Плетников 1 Е., Янке 2 В.

1. Эффективность регистрации нейтронных детекторов различной геометрии Плетников1 Е., Янке2 В. 1Московский авиационный институт (Технический Университет) (МАИ), Москва 2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН(ИЗМИРАН), Троицк. Задача. ►Моделирование отклика нейтронных детекторов на падающий поток нейтронов и других частиц вторичного космического излучения.►Вычисление эффективности стандартного нейтронного монитора 6nm64 и бессвинцовых нейтронных детекторов различной конструкции.►Определение энергетической и угловой зависимости эффективности.►Оценка влияния окружающей среды: грунта, снега/воды под детектором и вблизи детектора.

2. Скорость счета детектора и его эффективность Для скорости счета детектора в пункте с жесткостью геомагнитного обрезания Rc, расположенного на глубине h в атмосфере можно записать Здесь дифференциальный спектр жесткости частиц типа iпервичного космического излучения, функция выхода (yield function) нейтронного монитора.Функция выхода детектора определяется как плотностью потока частиц, падающих на детектор, так и эффективностью, с которой этот поток регистрируется Здесь -площадь нейтронного монитора, - эффективность регистрации частиц c энергией E, падающих на нейтронный монитор под углом θ к вертикали и φ. Функция это, так называемая, интегральная кратность генерации, т.е. число частиц типа j на уровне наблюдения h (или дифференциальная плотность потока падающих вторичных частиц).

3. Методика расчета ►Расчеты проводились на базе пакета FLUKA 2008.3c.0 (32x) [1]. ►Рассматривался параллельно и равномерно падающий на нейтронный детектор поток моноэнергетических частиц.►Сечение потока частиц выбрано 5×5 м2 и является компромиссным, поскольку, с одной стороны необходимо максимально учесть окружающее детектор вещество, которое трансформирует падающий поток частиц, а с другой стороны чрезмерное увеличение сечение потока пропорционально увеличивает время расчета каждого события и оптимальным является сечение превышающее площадь монитора в 4 раза.►Источник нейтронов находится на высоте 30 cm над детектором, сам же детектор - на высоте 1 м от поверхности.

4. Методика расчета ►Для всех детекторов исследовалось влияние окружающей среды и подстилающей поверхности. Учитывались следующие варианты подстилающей поверхности: грунт, вода (например, в Антарктиде), и случай, когда грунт удален на расстоянии нескольких пробегов нейтронов в воздухе. ►Тогда эффективность детектора определяется как где m масса газа в счетчике, энерговыделение реакции захвата, En (MeV/g) – среднее энерговыделение в счетчике, S – сечение потока, SNM – площадь нейтронного монитора.►эффективная площадь детектора определяется как

5. Нейтронный супермонитор6nm64 Carmichael H. In C.M. Minnis (ed.) “Cosmic Rays (Instruments), Annals of the IQSY”, 1, 178-197, 1968.

6. Сравнение эффективностей нейтронного супермонитора, полученных различными авторами.

7. Сравнение эффективностей нейтронного супермонитора, полученных различными авторами.

8. Угловая зависимость эффективности Экспериментальное определение эффективности регистрации Угловая зависимость эффективности для случая фронтального и бокового падения частицы.Угловая зависимость эффективности очень слабаяиз-за сильной диффузии нейтронов внутри объема нейтронного монитора. The experimentalscheme for 1nm64 calibrationaccording to Shibata et al. (1999)

9. Эффективность детекторов тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов Для ряда научных и прикладных задач используются нейтронные мониторы без свинцового размножителя. Конструкция таких детекторов не стандартизована. На станции Sanae [7], например, работает бессвинцовый монитор 4nm64D, выполненный на борных счетчиках и конструкция детектора близка к стандартной конструкции нейтронного монитора nm64, содержащего 4 счетчика. Для мониторинга запасов влаги, например, применяются бессвинцовые нейтронные мониторы небольшой площади, выполненные, например, на основе гелиевых счетчиков типа 65NH45 (Ø25450мм), окруженные только полиэтиленовым замедлителем [8]. Некоторые исследования геофизических эффектов (сейсмические, грозовые) базируются на детекторах тепловых нейтронов [9-11] самой различной конструкции. Однако каждый детектор состоит из набора счетчиков, замедлителя и отражателя, которые отличаются только размерами.

10. Детектор быстрых нейтронов 6nm64D Бессвинцовый нейтронный супермонитор с отражателем 6nm64D: конструкция и эффективность.

11. Детектор быстрых нейтронов 6nm64F Бессвинцовый нейтронный супермонитор с отражателем 6nm64F: конструкция и эффективность.

12. Детектор эпитепловых нейтронов 6nm64E Нейтронный супермонитор без отражателя 6nm64E: конструкция и эффективность.

13. Детектор тепловых нейтронов 6nm64T Детектор тепловых нейтронов 6nm64T из 6 борных счетчиков СНМ-15: конструкция и эффективность.

14. Сравнение эффективностей нейтронных детекторов Эффективность детектора с отражателем6nm64D. Эффективностьдетектора с отражателем 6nm64F. Эффективностьдетектора без отражателя 6nm64E. Эффективностьдетектора тепловых нейтронов6nm64T.

15. Сравнение эффективностей нейтронных детекторов Сравнение эффективностей нейтронных детекторов для случая, когда подложкой детекторов является грунт. Хорошо виден диапазон энергий к которому чувствительны детекторы различных типов: тепловых нейтронов (T), эпитепловых (E) и быстрых (F) нейтронов. Вклад в скорость счета частиц выше нескольких десятков MeV для всех детекторов связан с влиянием окружающей среды и, как видно из рисунка, может бытьсущественным.

16. Применение нейтронных детекторов тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов ► Определение толщины снежного покрова.►Исследование методами ядерной планетологии состава грунта планет и поиск воды с борта космического аппарата.► Проведение пассивного мониторинга естественного нейтронного излучения поверхности планеты.► ОпределениеAu в золосодержащих образцах с использованием замедленных нейтронов (эффективное поглощение 197Au(n,)198Au).► Вариации нейтронов и мюонов рожденных космическими лучами в атмосфере и грозовые электрические поля.►Изучение аномальных вариаций естественного нейтронного потока в сейсмически активной зоне.

17. Заключение ►В широком диапазоне энергий от тепловых до быстрых нейтронов найдены эффективности для нейтронных детекторов различной геометрии. ►С имеющимися экспериментальными и расчетными данными других авторов и найденными нами, имеется хорошее согласие, как по абсолютной величине, так и поведения эффективностей с энергией.