Transcript Prezentace diplomové práce

Katedra jaderných reaktorů, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT, Praha
Ústav jaderné fyziky, OJS, AVČR
Aktivační měření účinných průřezů
prahových reakcí neutronů
Diplomová práce
Vrzalová Jitka
16.6.2010
Vedoucí práce: RNDr. Vladimír Wagner, CSc.
Zadání
- Motivace

Vypracovat přehled knihoven jaderných dat a
kódů pro modelování jaderných dat

Porovnat hodnoty účinných průřezů z měření v
Řeži a v TSL Uppsala

Pomocí kódu TALYS vypočítat účinné průřezy
prahových reakcí neutronů za použití různých
jaderných modelů

Vytvořit přehled kvazi-monoenergetických
neutronových zdrojů použitelných pro měření
účinných průřezů prahových reakcí neutronů
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
2
Motivace
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení

k testování programů simulujících ADS je nutno
určovat neutronová pole

neutronová pole lze určit pomocí aktivačních
detektorů
- Měření účinných
průřezů

pro detekci neutronů jsou využívány zejména
prahové reakce na Au, Al, Bi, In, Ta, Ni, Zn, Y

při energiích nad 20 MeV je k dispozici velmi
málo experimentálních hodnot σ pro většinu
pozorovaných prahových (n,xn) reakcí→potřeba
provést nová měření účinných průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
3
Evaluované knihovny jaderných dat x EXFOR
-Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení

jaderná data jsou zkomplementována v
knihovnách jaderných dat a postupně
aktualizována

v obecném formátu ENDF-6

obecné knihovny (BROND-ruská, CENDLčínská, ENDF-americká, JEFF- evropská,
JENDL-japonská)

speciální knihovny (MENDL, WIND, LA 100, LA
150, NRG-2003)

účinné průřezy jsou pro velkou část měřených
izotopů publikovány do reakce (n,4n)
(100MeV) v ENDF, v EXFOR do 40 MeV
- Měřeni účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
4
Stochastické kódy
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
MCNP a MCNPX

MCNP umožňuje modelovat transport neutronů (fotonů a
elektronů) od 10-11 MeV až do 20 MeV

MCNPX-spojuje a zlepšuje možnosti MCNP, který je
přednostně určen pro nižší energie a kódu LAHET,
vhodného pro popis spalačních reakcí
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
- Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
LAHET

umožňuje modelovat spalační reakce a transport
nukleonů, pionů, mionů s energií E≥20 MeV
Další kódy založené na matematické metodě Monte Carlo:
FLUKA, HETC, NUCLEUS, SHIELD, NMTC, GEM, JAM
5
Deterministické kódy
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
TALYS 1.0

poskytuje univerzální výpočty jaderných reakcí v
energetickém rozsahu od 1 keV do 200 MeV,
někdy na úkor přesnosti

s kódem TALYS lze získat kompletní přehled účinných
průřezů

výstupní soubor obsahuje všechny běžně hledané
informace, k dispozici je více než 200 klíčových slov
použitelných ve vstupním souboru
Další kódy: GNASH, ALICE, STAPRE, EMPIRE, MEND
6
TALYS 1.0 – jaderné modely
2
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
ld1 - Fermiho model
1,8
ld2 - „zpětně posunutý“
Fermiho model
1,6
ld3 - „supratekutý“ model
ld4 - Gorielyho tabulka
1,4
ld5 - Hilaireyho tabulka
1,2
XS [barn]
- Měření účinných
průřezů
Bi-207
1
0,8
0,6
0,4
Účinný průřez reakce 209Bi(n,3n)207Bi spočítaný pro různé hustoty
jaderných hladin
0,2
- Srovnání
Řež, Uppsala
ld1
ld3
ld4
ld5
EXFOR
MENDL-2
0
15
- Závěr
ld2
20
25
30
E [MeV]
35
40
7
TALYS 1.0 – jaderné modely
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
Odchylka účinných průřezů pro modely s různou hustotou jaderných hladin od
přednastaveného Fermiho modelu pro reakci 209Bi(n,3n)207Bi
80
ld2
ld3
ld4
Bi-207
ld5
60
40
odchylka [%]
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
20
0
15
-Experimenty-Řež
20
25
30
35
-20
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
-40
-60
- Závěr
E [MeV]
8
Detekce neutronů
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
Reaction
E thresh
Half-life
[MeV]
197Au
(n,2n) 196Au
8,1
6,183 d
197Au
(n,3n) 195Au
14,8
186,1 d
197Au
(n,4n) 194Au
23,2
38,02 h
209Bi
(n,3n) 207Bi
14,42
31,56 y
209Bi
(n,4n) 206Bi
22,55
6,243 d
115In
(n,2n) 114In
9,12
1,2 min
Al
Au
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
Bi
Co
In
Ta
9
Vyhodnocení
plocha píku
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
N yield 
mrtvá doba
detektoru
S p  Cabs  Cirr
I    P ( E )  Coi  Carea
rozpad mezi koncem ozařování
a začátkem měření
t real 1
  tirr
e (  t0 )
tlive m foil 1  e (   treal ) 1  e (   tirr )
použité korekce
rozpad během ozařování
• rozpad během
ozařování, měření
• nestabilita svazku
• koincidence
- Zdroje neutronů
• nebodové zářiče
-Experimenty-Řež
• mrtvá doba detektoru
- ExperimentyUppsala
• účinnost detektoru
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
• samoabsorpce
10
Měření účinných průřezů
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
Požadavky pro měření σ metodou aktivace:
 vysokoenergetický neutronový zdroj s dobrou intenzitou
 monoenergetické (kvazi-monoenergetické)! neutrony, dobře
známé spektrum
 dobré spektroskopické vlastnosti  detektorů
plocha fólie
Lze spočítat Nyield a nakonec :
Proces vyhodnocení:

N yield  S  A
Nn  N A
hmotnostní číslo
Avogadrova konstanta
počet neutronů v píku
Ozařování→HPGe→Deimos→Korekce→Výtěžek→Účinný průřez
11
Zdroje neutronů
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
 zdroj s širokým spektrem neutronů -metoda time of flighturčení energie jednotlivých neutronů z doby letu (zařízení
n_TOF v CERN), nevhodné při využívání aktivačních fólií
 zdroj kvazi-monoenergetických neutronů
- vhodný terč + urychlovač částic
- častý zdroj 7Li(p,n)7Be, 2H(d,n)3He
 zdroj CYRIC s rozsahem 40 až 90 MeV v „Cyclotron and
Radioisotope Center“ v Tohoku
 připravovaný zdroj SPIRAL-2 v laboratoři GANIL v Caen
ve Francii (rozsah do 40 MeV, vysoká intenzita)
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
12
Zdroje neutronů
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
Blue Hall, Uppsala
Kvazi-monoenergetický neutronový zdroj
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
Neutronový zdroj na cyklotronu U-120M
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
13
Experimenty v Řeži
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
 duben, květen 2009,
ozařování fólií na
cyklotronu U-120M
 rozměr fólií od 1,5x1,5
cm2 do 3x3 cm2,
tloušťka fólií od 50 μm
do 1 mm
 energie protonového
svazku 32,5 a 37 MeV
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
 ozařovací doba 20 h.,ozařované fólie: Ni, Zn, Bi, Cu,
In, Al, Au, Ta, Fe a vzorek obsahující I
 po ozařování měřeny HPGe detektorem (doba transportu
fólií kolem 15 minut)
14
Experimenty v Řeži
Znormalizovaný počet neutronů ve svazku a účinné průřezy izotopů
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
1
svazek 32,5 MeV
Au-196 (0,19)
Bi-207 (0,65)
In-111 (0,89)
relativivní poměr [-]
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
Bi-206 (0,99)
I-124 (1,0)
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
0
3
8
13
18
E [MeV]
23
28
15
Experimenty v Uppsale
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
 únor 2010, červen 2008
 energie protonových
svazků 25, 50, 100 MeV
(červen 2008); 62, 70, 80
a 93 MeV (únor 2010)
 doba ozařování kolem
8h.,ozařované fólie: Au,
Bi, In, Al, Ta, Co, Y a
vzorek s I
-Experimenty-Řež
- Experimenty
Uppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
 doba transportu
fólií asi 2 minuty
16
Experimenty v Uppsale
umístění vzorků vůči detektoru
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
únor 2010
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
ozařované vzorky
17
Srovnání Řež, Uppsala
- Měření účinných
průřezů
3
Au-196
EXFOR
TALYS
ÚJF Řež
TSL Uppsala
2,5
2
XS [barn]
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
Porovnání účinného průřezu reakce (n,2n) izotopu 197Au s EXFOR a TALYS
ÚJF Řež
1,5
- Zdroje neutronů
TSL Uppsala
1
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
0,5
- Srovnání
Řež, Uppsala
0
0
- Závěr
10
20
30
40
50
E [MeV]
60
70
80
90
18
Srovnání Řež, Uppsala
Porovnání účinného průřezu reakce (n,xn)
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
s EXFOR a TALYS
1,8
In-114m
EXFOR
1,5
TALYS
ÚJF Řež
TSL Uppsala
ÚJF Řež
1,2
TSL Uppsala
XS [barn]
- Měření účinných
průřezů
natIn
0,9
- Zdroje neutronů
0,6
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
0,3
- Srovnání
Řež, Uppsala
0
- Závěr
8
18
28
38
48
58
E [MeV]
68
78
88
98
19
Srovnání Řež, Uppsala
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
Porovnání účinného průřezu reakce (n,2n) 64Zn s EXFOR a TALYS
0,5
ÚJF Řež
TALYS
EXFOR, Y. Uwamino, 1992
EXFOR, A.A.Lapenas, 1975
0,45
Zn-63
0,4
0,35
- Měření účinných
průřezů
XS [barn]
0,3
0,25
- Zdroje neutronů
0,2
-Experimenty-Řež
0,15
- ExperimentyUppsala
ÚJF Řež
0,1
0,05
- Srovnání
Řež, Uppsala
0
12
- Závěr
17
22
27
E [MeV]
32
37
20
Závěr
- Motivace
• Úvod
• Knihovny
• Stochastické a
deterministické
kódy
• Detekce
neutronů
• Vyhodnocení
- Měření účinných
průřezů
- Zdroje neutronů
-Experimenty-Řež
- ExperimentyUppsala
- Srovnání
Řež, Uppsala
- Závěr
 zpracovala jsem výsledky měření v Řeži (duben,
květen 2009)
 podílela jsem se na experimentech v TSL Uppsala a
připravila vzorky pro měření
 měření v Uppsale a v Řeži pokrývá široké spektrum
energií
 naše výsledky pro dobře známé účinné průřezy
odpovídají dalším experimentálním datům
 naměřili jsme množství nových dat
 výsledky své práce jsem prezentovala v dubnu na
konferenci v Liblicích.
Děkuji za pozornost
21