Помощь студентам в учебе
Моделирование регистрации высокоэнергетических гамма- квантов в СПО Geant4
|
Введение 6
1 Обзор литературы 9
1.1 Обзор существующих подходов к моделированию детекторов 9
1.2 Исследуемые реакции 11
2 Экспериментальная установка ИДМ-40 и сопряженное оборудование .. 13
2.1 Импульсный ускоритель ИДМ-40 13
2.2 Тритиевые мишени 17
2.3 Эффективность регистрации у-квантов детекторами 21
2.4 Конфигурации расположения детекторов 24
3 Расчетная часть 25
3.1 Метод Монте-Карло в ядерной физике 25
3.2 Характеристики рабочей среды для произведения расчета 26
3.3 Создание геометрической модели установки ИДМ-40 27
3.4 Симуляция реального аппаратурного спектра 29
3.5 Получение расчетных спектров 32
Заключение 36
Список использованной литературы 38
Приложение
1 Обзор литературы 9
1.1 Обзор существующих подходов к моделированию детекторов 9
1.2 Исследуемые реакции 11
2 Экспериментальная установка ИДМ-40 и сопряженное оборудование .. 13
2.1 Импульсный ускоритель ИДМ-40 13
2.2 Тритиевые мишени 17
2.3 Эффективность регистрации у-квантов детекторами 21
2.4 Конфигурации расположения детекторов 24
3 Расчетная часть 25
3.1 Метод Монте-Карло в ядерной физике 25
3.2 Характеристики рабочей среды для произведения расчета 26
3.3 Создание геометрической модели установки ИДМ-40 27
3.4 Симуляция реального аппаратурного спектра 29
3.5 Получение расчетных спектров 32
Заключение 36
Список использованной литературы 38
Приложение
В настоящее время особый интерес представляет изучение следующих реакций синтеза в астрофизической области энергий (порядка единиц - десятков кэВ в с.ц.и): р + d ^ 3 Не + у (5.5 МэВ); р + t ^ 4Не + у (19.8 МэВ); t + 3 Не ^ 6Ы + у (15.8 МэВ), - в первую очередь для фундаментальной физики - получение и уточнение экспериментальных значений сечений этих реакций в данной области энергий [1, 2] или, в частности, изучение последней реакции, исследование которой может пролить свет на проблему «космологического лития». Однако при энергиях порядка десятков кэВ ожидается, что сечения этих реакций не будут превышать сотен нанобарн. В то же время, присутствие побочных реакций с выходом нейтронов: t + 3 Не ^ 4Не + п + р; t + 3 Не ^ 5 Li + п; t +1 ^ 4Не + nn; t + t ^ 5 Не + п; d + d ^ 3Не + п [2] может значительно осложнить получение достоверных данных о выходе исследуемых реакций из-за появления в спектре продуктов этих реакций линий, возникших при взаимодействии нейтронов с материалами детектора и окружающей аппаратуры. Таким образом, требуется создать такую сборку детекторов, которая максимально эффективно регистрировала бы у-кванты с приведенными выше энергиями.
И хотя для pd - реакции оценку эффективности регистрации можно произвести с помощью изотопного AmBe источника с энергией EY = 4.432 МэВ, для оценки эффективности регистрации продуктов реакций с энергиями у- квантов свыше 10 МэВ нет изотопных источников с близкими энергиями. Экспериментальная оценка потребовала бы значительных затрат времени и ресурсов из-за низких сечений приведенных реакций. В таком случае, более эффективным способом является применение метода Монте-Карло и создание кода, симулирующего регистрацию у-квантов в специализированных инструментариях ядерной физики, в частности, Geant4.
Актуальность проводимых на ИДМ-40 исследований заключается в необходимости изучения реакций синтеза легких ядер в астрофизической
области энергий (единицы - десятки кэВ в СЦИ) дли в данной, энергии, достоверно известны лишь теоретические оценки сечений. Изучение поведения этих реакций представляет существенный интерес как для теоретической ядерной физики, так и для астрофизики.
Актуальность данной работы заключается в необходимости создания программного кода, позволяющего моделировать регистрацию частиц детекторами и получать путем расчета аналоги аппаратурных спектров, необходимого для быстрого и точного нахождения эффективности детекторов и определения вклада продуктов побочных реакций в спектр при проведении как ускорительных экспериментов в ядерной физике, так и при работе с источниками ионизирующего излучения.
Целью данной выпускной квалификационной работы бакалавра является определение эффективности регистрации у-квантов с энергиями до 20 МэВ, получаемых на установке ИДМ-40, при различных вариантах расположения детекторов.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Произвести поиск и обзор существующих решений по созданию моделей сцинтилляционных детекторов в Geant4;
2. Создать геометрическую модель вакуумной камеры и системы регистрации установки ИДМ-40;
3. Получить из экспериментального спектра аналитической зависимости ПШПВ(Е);
4. Создать программный код, позволяющий быстро и достоверно определять эффективность регистрации у-квантов системой детекторов;
5. Проверить корректность модели путем сравнения рассчитанных при моделировании спектров с экспериментальными;
6. Получить в отлаженной версии симуляции аппаратурных спектров при различных энергиях у-квантов от источника;
Определить влияние на эффективность регистрации учета
анизотропии распределения по углам вылетающих у-квантов;
8. Получить кривые эффективности из расчетных спектров и определение наиболее эффективной конфигурации расположения детекторов;
9. Проанализировать полученные результатов.
И хотя для pd - реакции оценку эффективности регистрации можно произвести с помощью изотопного AmBe источника с энергией EY = 4.432 МэВ, для оценки эффективности регистрации продуктов реакций с энергиями у- квантов свыше 10 МэВ нет изотопных источников с близкими энергиями. Экспериментальная оценка потребовала бы значительных затрат времени и ресурсов из-за низких сечений приведенных реакций. В таком случае, более эффективным способом является применение метода Монте-Карло и создание кода, симулирующего регистрацию у-квантов в специализированных инструментариях ядерной физики, в частности, Geant4.
Актуальность проводимых на ИДМ-40 исследований заключается в необходимости изучения реакций синтеза легких ядер в астрофизической
области энергий (единицы - десятки кэВ в СЦИ) дли в данной, энергии, достоверно известны лишь теоретические оценки сечений. Изучение поведения этих реакций представляет существенный интерес как для теоретической ядерной физики, так и для астрофизики.
Актуальность данной работы заключается в необходимости создания программного кода, позволяющего моделировать регистрацию частиц детекторами и получать путем расчета аналоги аппаратурных спектров, необходимого для быстрого и точного нахождения эффективности детекторов и определения вклада продуктов побочных реакций в спектр при проведении как ускорительных экспериментов в ядерной физике, так и при работе с источниками ионизирующего излучения.
Целью данной выпускной квалификационной работы бакалавра является определение эффективности регистрации у-квантов с энергиями до 20 МэВ, получаемых на установке ИДМ-40, при различных вариантах расположения детекторов.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Произвести поиск и обзор существующих решений по созданию моделей сцинтилляционных детекторов в Geant4;
2. Создать геометрическую модель вакуумной камеры и системы регистрации установки ИДМ-40;
3. Получить из экспериментального спектра аналитической зависимости ПШПВ(Е);
4. Создать программный код, позволяющий быстро и достоверно определять эффективность регистрации у-квантов системой детекторов;
5. Проверить корректность модели путем сравнения рассчитанных при моделировании спектров с экспериментальными;
6. Получить в отлаженной версии симуляции аппаратурных спектров при различных энергиях у-квантов от источника;
Определить влияние на эффективность регистрации учета
анизотропии распределения по углам вылетающих у-квантов;
8. Получить кривые эффективности из расчетных спектров и определение наиболее эффективной конфигурации расположения детекторов;
9. Проанализировать полученные результатов.
В рамках выполнения данной работы было произведено нахождение эффективности регистрации у-квантов, образующихся при исследовании
реакций синтеза легких ядер на установке ИДМ-40, сборками сцинтилляционных NaI(Tl) детекторов. Для трех вариантов расположения детекторов относительно мишенного узла были получены кривые
эффективности, позволяющие оценить эффективность регистрации для
реальных детекторов.
Получены следующие результаты:
- создан программный код, позволяющий получать путем моделирования методом Монте-Карло спектры, аналогичные аппаратурным спектрам от реальных детекторов;
- на основе экспериментальных спектров получена аналитическая зависимость ширины пиков для детекторов NaI(Tl) от энергии у-квантов, используемая в программном коде для симуляции аппаратурных спектров;
- получены расчетные спектры у-квантов с энергиями 5.5; 19.8 и 15.8 МэВ с изотропным в 4п источником для различных вариантов расположения детекторов;
- для энергии 19.8 МэВ получены также спектры для неизотропного источника;
- по полученным спектрам построены кривые эффективности регистрации как зависимость полной эффективности от пороговой энергии;
- на основании кривых эффективности установлено, что для энергии 19.8 МэВ учет анизотропии вылета у-квантов существенен, так как эффективность регистрации для всех вариантов расположения детекторов выше в случае неизотропного распределения у-квантов от источника;
- для всех энергий наиболее эффективной является геометрия (б), в которой 8 детекторов расположены вокруг мишенного узла по двое, образуя детектирующий слой толщиной 10 см;
- исходя из этого, для у-квантов с энергиями до 20 МэВ решающий вклад в эффективность регистрации дает эффективный телесный угол детекторов, а не их собственная эффективность (следовательно, толщина детектирующего слоя в 10 см является достаточной в таком диапазоне энергий);
- для нахождения вклада в реальный спектр продуктов взаимодействия нейтронов с окружающими материалами и эффектов наложения амплитуд в детекторах планируется в будущем дополнить рабочую программу.
реакций синтеза легких ядер на установке ИДМ-40, сборками сцинтилляционных NaI(Tl) детекторов. Для трех вариантов расположения детекторов относительно мишенного узла были получены кривые
эффективности, позволяющие оценить эффективность регистрации для
реальных детекторов.
Получены следующие результаты:
- создан программный код, позволяющий получать путем моделирования методом Монте-Карло спектры, аналогичные аппаратурным спектрам от реальных детекторов;
- на основе экспериментальных спектров получена аналитическая зависимость ширины пиков для детекторов NaI(Tl) от энергии у-квантов, используемая в программном коде для симуляции аппаратурных спектров;
- получены расчетные спектры у-квантов с энергиями 5.5; 19.8 и 15.8 МэВ с изотропным в 4п источником для различных вариантов расположения детекторов;
- для энергии 19.8 МэВ получены также спектры для неизотропного источника;
- по полученным спектрам построены кривые эффективности регистрации как зависимость полной эффективности от пороговой энергии;
- на основании кривых эффективности установлено, что для энергии 19.8 МэВ учет анизотропии вылета у-квантов существенен, так как эффективность регистрации для всех вариантов расположения детекторов выше в случае неизотропного распределения у-квантов от источника;
- для всех энергий наиболее эффективной является геометрия (б), в которой 8 детекторов расположены вокруг мишенного узла по двое, образуя детектирующий слой толщиной 10 см;
- исходя из этого, для у-квантов с энергиями до 20 МэВ решающий вклад в эффективность регистрации дает эффективный телесный угол детекторов, а не их собственная эффективность (следовательно, толщина детектирующего слоя в 10 см является достаточной в таком диапазоне энергий);
- для нахождения вклада в реальный спектр продуктов взаимодействия нейтронов с окружающими материалами и эффектов наложения амплитуд в детекторах планируется в будущем дополнить рабочую программу.