Speaker
Description
При взаимодействии протонов радиационных поясов Земли (РПЗ) галактических и солнечных космических лучей (ГКЛ и СКЛ) с конструкционными материалами орбитальной станции и телом космонавта генерируются вторичные нейтроны с непрерывным спектром до сотен МэВ.
Измерения полей вторичных быстрых нейтронов (<20 МэВ) внутри орбитальной станции проводятся с использованием пассивных дозиметров на основе кремниевых, трековых, термолюминесцентных, тканеэквивалентных, пузырьковых, гелиевых, делящихся и активационных детекторов. По данным экспериментальных исследований доля нейтронов с энергией в диапазоне 20 ÷ 50 МэВ на борту орбитальных станций с углом наклона орбиты не более 52 градусов составляет 40% во всем спектре нейтронов. [1]. С увеличением угла наклона полета орбитальной станции более жесткое первичное поле протонов ГКЛ и СКЛ приводит к увеличению вклада сверхбыстрых нейтронов (20-100 МэВ) в спектр нейтронов. Вследствие сложной природы взаимодействия нейтронов с веществом именно нейтроны высоких энергий вносят больший вклад в дозу, чем тепловые и промежуточные нейтроны. Для измерения быстрых и сверхбыстрых нейтронов может использоваться пластиковый сцинтиллятор EJ-276 [2]: негигроскопичный, твердый, со стабильными сцинтилляционными и оптическими характеристиками [3]. Особенностью EJ-276 является возможность разделения сигнала от нейтронов и γ-квантов по форме импульса –Pulse Shape Discrimination- PSD). Для пластикового сцинтиллятора сигнал от нейтронов и протонов принципиально не различим, поэтому нейтронный детектор на EJ-276 окружается отдельно разрабатываемой антисовпадательной защитой от протонов.
Для того, чтобы использовать EJ-276 для спектрометрии сверхбыстрых нейтронов сцинтилляционным детектором, необходимо чтобы формы откликов сцинтиллятора на моноэнергетические нейтроны с энергией до 100 МэВ были различимы и эффективность регистрации нейтронов планируемого к регистрации спектра с энергией до 100 МэВ была бы не хуже, чем 10%.
В данной работе c помощью Geant4 разработана модель сцинтилляционного детектора на основе EJ-276. Особенностью данной модели является учет энергетической зависимость светового выхода для электронов, протонов, α-частиц и ионов углерода, лития и бериллия в широком энергетическом диапазоне 0,1 ÷ 120 МэВ, в том числе на основе литературных данных. [4]. Верификация разработанной модели проведена на экспериментальных данных отклика на нейтроны с энергией 14 МэВ сцинтиллятора EJ-276 размерами Ø2”х2”[5]. Для регистрации нейтронов с энергией больше, чем 20 МэВ, необходимо увеличение размера сцинтиллятора. На основании результатов моделирования сцинтиллятора размером ∅3”х3” показано, что эффективность регистрации нейтронов с энергиями до 100 МэВ не менее 15%, аппаратные отклики на нейтроны с энергиями 80 и 90 МэВ значимо различимы. Детектор размером ∅3”х3” можно использовать в качестве спектрометра и дозиметра вторичных нейтронов на борту орбитальной станции.
Для верификации математической модели взаимодействия сцинтиллятора EJ-276 с нейтронами сверхбыстрых энергий планируется проведение наземных экспериментов по измерениям вторичных нейтронов, сгенерированных протонами высоких энергий в толстой алюминиевой мишени.
Список литературы:
1. S. V. Khulapko, V. I. Liagushin, V. V. Arkhangel'skiĭ, V. A. Shurshakov, M. Smith, H. Ing, R. Machrafi, I. V. Nikolaev Results of measuring neutrons doses and energy spectra inside Russian segment of the International Space Station in experiment «Matryoshka-R» using bubble detectors during the ISS-24-34 Missions // Aerospace and Environmental Medicine. - 2014. - №48. - С. 52-56.
2. A compact scintillator-based detector for high energy neutron spectrometry Andy Buffler, Tanya Hutton, Erin Jarvie, Richard Babut // Radiation Physics and Chemistry Volume 220, July 2024, 111698
3. Pulse shape discrimination EJ-276D & EJ-276G // Eljen technology URL: eljentechnology.com/products/plastic-scintillators/ej-276 (дата обращения: 30.01.2026).
4. S. Nyibule, J. Tõke, E. Henry,et el Birks׳ scaling of the particle light output functions for the EJ 299-33 plastic scintillator // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:. - 2014. - №768. - С. 141-145
5. Calibration of EJ-276 plastic scintillator for neutron–gamma pulse shape discrimination experiments E.V. Ryabeva, I.V. Urupa ∗ , E.E. Lupar, et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Volume 1010, 2021
