2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: 85-99141-01-5 DETERMINAÇÃO DE UMA MATRIZ RESPOSTA PARA O ESPECTRÔMETRO DE MULTIESFERAS DE BONNER Roberto M. de Lemos Júnior 1, Ademir X. da Silva 1, Walsan W. Pereira 2, Edmilson M. de Souza 1, Sandro P. Leite 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro [PEN/COPPE DNC/EE] CT/UFRJ Ilha do Fundão C. P. 68509 CEP: 21945-970, Rio de Janeiro, Brasil. rlemos@con.ufrj.br, ademir@con.ufrj.br, emonteiro@con.ufrj.br, 2 Instituto de Radioproteção e Dosimetria LNMRI/IRD/CNEN Av. Salvador Allende, s/n o, Recreio dos Bandeirantes, CEP: 22780-160, Rio de Janeiro, Brasil. walsan@ird.gov.br, sandro@ird.gov.br RESUMO O Espectrômetro de Multiesferas de Bonner é um sistema de espectrometria de nêutrons que consiste em um detector de nêutrons térmicos localizado no centro de várias esferas moderadoras de diferentes diâmetros, geralmente construídas de polietileno de alta densidade. Neste trabalho, uma matriz resposta para o Espectrômetro de Multiesferas de Bonner foi obtida utilizando o código de transporte de radiação MCNP, baseado no método de Monte Carlo, e os dados nucleares de seção de choque da ENDF/B-VI. Para isso, foi simulado um conjunto de seis esferas de polietileno de alta densidade e um detector cintilador (cristal de 6 LiI(Eu) cilíndrico com 0,4 cm de diâmetro e 0,4 cm de altura). Os resultados obtidos são comparados com os existentes na literatura. 1. INTRODUÇÃO O Espectrômetro de Multiesferas de Bonner (EMB) é um sistema de espectrometria de nêutrons que consiste em um detector de nêutrons térmicos localizado no centro de várias esferas moderadoras de diferentes diâmetros, geralmente construídas de polietileno de alta densidade. Este sistema é muito utilizado e estudado em diversos laboratórios (Lemos [1], Carrillo et al [2], Mares e Schraube [3]) por ser capaz de obter uma resposta isotrópica do espectro de nêutrons e, principalmente, por contar nêutrons da faixa térmica (mev) até alguns GeV. O espectrômetro foi sugerido e descrito primeiramente por Bramblett et al [4]. Estes utilizaram um detector de cintilação 6 LiI(Eu) e um conjunto de seis esferas de polietileno com diâmetros de 5,08 cm (2 polegadas), 7,62 cm (3 polegadas), 12,70 cm (5 polegadas), 20,32 cm (8 polegadas), 25,40 cm (10 polegadas) e 30,48 cm (12 polegadas). Os detectores mais utilizados no centro das esferas moderadoras são os detectores ativos, como o cintilador 6 LiI(Eu) e os contadores proporcionais 10 BF 3 e o 3 He. O espectro de nêutrons é obtido utilizando-se os diferentes graus de moderação proveniente de cada esfera: a esfera de menor diâmetro é mais sensível aos nêutrons incidentes de menor energia, e a esfera de maior diâmetro é mais sensível aos nêutrons incidentes de maior energia. Assim, para contabilizar nêutrons de faixas de energias diferentes em um campo
contínuo de nêutrons, é necessário conhecer o comportamento desse sistema para diferentes faixas de energia, ou seja, obter uma matriz que forneça a resposta para cada diâmetro de esfera utilizada. Esta matriz é comumente chamada de Matriz Resposta. Para se obter a forma do espectro de nêutrons, utiliza-se programas de desdobramento de espectros (Lemos [5]). Uma metodologia padronizada para desdobramento de espectros de nêutrons foi proposta por Lemos [1], onde foi definido um procedimento para a utilização do EMB, utilizando-se um detector de 6 LiI(Eu) e um programa computacional para tratamento de dados (programa de desdobramento de espectro). Neste trabalho, foi visto que a resolução do espectro final obtido com a melhor matriz estudada (SAN4 [6] do programa de desdobramento) disponíveis na literatura é bastante pobre comparado com o mesmo espectro de referência publicado na Norma ISO8529-1 [7]. O objetivo do presente trabalho é desenvolver uma nova matriz resposta para EMB a partir da simulação de campos de nêutrons, utilizando-se o código de Monte Carlo MCNP [8]. E como procedimento posterior em um trabalho futuro, numa análise visando o aprimoramento do processo de desdobramento de espectro de nêutrons, esta matriz será inserida em um modelo computacional para desdobramento de espectros com base na metodologia de inteligência artificial. 2. CÁLCULO DA MATRIZ RESPOSTA A matriz resposta para o EMB foi calculada utilizando-se o código de transporte de radiação, baseado no método de Monte Carlo, MCNP, versão 4C [8] e os valores de secção de choque disponíveis na biblioteca ENDF/B-VI incluída no código. O sistema modelado consiste em um detector 6 LiI(Eu) cilíndrico, com 0,4 cm de diâmetro e 0,4 cm de altura, e um conjunto de esferas de polietileno de alta densidade (0,95 g/cm 3 ) com diâmetros iguais a 5,08 cm, 7,62 cm, 12,70 cm, 20,32 cm, 25,40 cm e 30,48 cm, onde cada esfera é encaixada em duas cavidades cilíndricas de diâmetros 1,42 cm e 1,88 cm respectivamente, representando o suporte do detector. A resposta para o sistema foi definida como a fluência integrada de nêutrons incidentes no volume sensível do detector dentro do intervalo de 1 mev à energia de corte do Cádmio (512 mev). Uma colisão entre um nêutron com baixa energia (E<1eV) e um átomo é afetada pelo movimento térmico do átomo e, em muitos casos, pela presença de átomos vizinhos. Esse movimento térmico não pode ser ignorado em muitas situações. Ligações químicas e estruturas cristalinas das moléculas têm um efeito também expressivo, para nêutrons com energia abaixo de 1 ev. Para levar em conta os efeitos dos movimentos térmicos dos átomos, o código MCNP usa um tratamento térmico que é baseado na aproximação do gás livre (gás ideal) e as leis de espalhamento, S(α,β), relacionadas aos efeitos das ligações moleculares, para um número limitado de substâncias e temperaturas. Na avaliação do efeito das ligações químicas e a estrutura cristalina durante o espalhamento de nêutrons térmicos, foram utilizadas as leis de espalhamento S(α,β). A incerteza estatística obtida na simulação foi menor que 5%. As irradiações foram realizadas considerando feixes de nêutrons monoenergéticos incidindo perpendicularmente na face cilíndrica do detector de 6 LiI(Eu). Foram simulados 23 valores discretos de energia na faixa de 10-8 MeV a 10 2 MeV. As respostas foram obtidas primeiramente para o detector nu (sem esfera), e posteriormente para o detector de 6 LiI(Eu)
localizado no interior da cavidade cilíndrica e no centro de cada esfera. O espaço entre a superfície cilíndrica e o volume detector foi assumido como vácuo. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados para o detector nu (sem esfera) e para o detector com todas as esferas estão normalizados. A resposta obtida é apresentada através das curvas na figura 1. 1,0E-05 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05 1,0E+01 1,0E+02 Nu (sem esfera) 5,08 cm 7,62 cm 12,70 cm 20,32 cm 25,40 cm 30,48 cm Figura 1. Matriz resposta (resposta (cm -2 ) em função da energia do nêutron (MeV)), obtida pelo MCNP, para o EMB. Na figura 1, observa-se claramente que existe uma tendência na forma da curva em cada esfera que depende da energia do nêutron e do diâmetro da mesma, ou seja, a sensitividade máxima na resposta aumenta para as esferas de maiores diâmetros com o aumento da energia, na medida em que os nêutrons de baixas energias são cada vez mais espalhados e capturados no interior do moderador. As figuras 2 e 3 ilustram a comparação dos resultados obtidos no presente trabalho com a matriz de Cruzate et al [9] disponível na literatura. Cruzate et al apresentaram seus resultados para 25 intervalos de energia com um detector termoluminescente TLD-600 e um conjunto de 12 esferas de polietileno de alta densidade (0,95 g/cm 3 ), com diâmetros variando de 5,08 cm a 30,48 cm. A resposta para o seu sistema foi definida como a fluência integrada de nêutrons incidentes no volume sensível do detector dentro do intervalo de 1 mev à energia de corte do Cádmio (512 mev), conforme também foi estabelecida no presente trabalho. Eles utilizaram
o mesmo código de transporte de radiação (MCNP, versão 4B e os valores de secção de choque disponíveis na biblioteca ENDF/B-VI incluída no código). Na figura 2 é apresentado o resultado obtido neste trabalho e aquele determinado por Cruzate et al [9], para o detector nu (sem esfera). Visualiza-se uma diferença significativa até a faixa de energia de 4,0x10-7 MeV, onde a curva produzida por Cruzate et al, apresenta uma maior magnitude. Isto ocorre pela diferença na modelagem feita em cada trabalho. Cruzate et al utilizaram um sistema com um detector termoluminescente (TLD-600) e neste trabalho um sistema com um detector cintilador ( 6 LiI(Eu)) foi modelado. Detector sem esfera Lemos [este trabalho] 1,0E-05 1,0E-06 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05 Figura 2. Comparação entre os resultados obtidos neste trabalho e por Cruzate et al [9], para o detector nu (sem esfera). Na figura 3, a comparação é feita para cada diâmetro de esfera de polietileno. Observa-se que as curvas diferem em magnitude, porém sendo similares nas suas formas. As figuras de 3a a 3c mostram que para as esferas de 5,08 cm, 7,62 cm e 12,70 cm de diâmetro, as respostas obtidas por Cruzate et al (TLD-600) apresentaram maiores magnitudes que as obtidas neste trabalho ( 6 LiI(Eu)). Entretanto, verifica-se nas figuras de 3d a 3f, que ocorre o contrário: o número de nêutrons térmicos detectados pelo cintilador 6 LiI(Eu), para maiores volumes de moderação, é superior ao detectado pelo detector termoluminescente TLD-600. Essas discrepâncias estão relacionadas a eficiência de detecção, em função da energia dos nêutrons, apresentados pelos diferentes tipos de detectores analisados. Além disso, o volume sensível do detector de 6 LiI(Eu) simulado neste trabalho foi de 5,0x10-2 cm 3, superior ao volume sensível do detector TDL-600 de 8,1x10-3 cm 3 considerado no trabalho de Cruzate.
Esfera de 5,08 cm (2") Esfera de 7,62 cm (3") 1,0E-05 1,0E-08 1,0E-06 1,0E+02 Figura 3a. Resposta para a esfera de 5,08 cm de diâmetro. 1,0E-08 1,0E-06 1,0E+02 Figura 3b. Resposta para a esfera de 7,62 cm de diâmetro. Esfera de 12,70 cm (5") Esfera de 20,32 cm (8") 1,0E-08 1,0E-06 1,0E+02 Figura 3c. Resposta para a esfera de 12,70 cm de diâmetro. 1,0E-08 1,0E-06 1,0E+02 Figura 3d. Resposta para a esfera de 20,32 cm de diâmetro. Esfera de 25,40 cm (10") Esfera de 30,48 cm (12") 1,0E-08 1,0E-06 1,0E+02 Figura 3e. Resposta para a esfera de 25,40 cm de diâmetro. 1,0E-08 1,0E-06 1,0E+02 Figura 3f. Resposta para a esfera de 30,48 cm de diâmetro. Figura 3. Comparação entre os resultados obtidos neste trabalho e por Cruzate et al [9], para cada diâmetro de esfera.
4. CONCLUSÃO A partir da análise da figura 1 observa-se que há um aumento na contagem de nêutrons para as esferas de maiores diâmetros com o aumento da energia. Isto ocorre devido ao processo de moderação (espalhamento elástico) dos nêutrons incidentes no volume da esfera moderadora. A diferença visual observada na comparação da forma de cada curva da figura 2 ocorre devido à diferença na modelagem adotada em cada trabalho, pois foram utilizados diferentes detectores no sistema de detecção. Cruzate et al [9] utilizaram um sistema com um detector termoluminescente (TLD-600), enquanto que, no presente trabalho, um sistema com um detector cintilador ( 6 LiI(Eu)) foi modelado. A discrepância observada nos resultados das matrizes respostas obtidas neste trabalho e por Cruzate (Figura 3) está associada a eficiência de detecção e a diferença no volume dos detectores de nêutrons dos sistemas de detecção simulados. BIBLIOGRAFIA 1. R. M. Lemos, Medidas de espectros de referência de nêutrons com o Espectrômetro de Multiesfera de Bonner, 55 f. Dissertação (Mestrado em Radioproteção) IRD/CNEN (2004). 2. H. R. V. Carrillo, B. W. Wehring, et. al., Response matrix for a Multisphere Spectrometer using a LiF thermoluminescent dosemeter, Radiation Protection Dosimetry Vol. 81 No. 2 pp. 133-140 (1999). 3. V. Mares, H. Schraube, Evaluation of the matrix of a Bonner Sphere Spectrometer with LiI detector from thermal energia to 100 MeV, Nuclear Instruments and Methods A 337 pp. 461-473 (1993). 4. R. L. Bramblett, R. I. Edwing, et. al., A new type of neutron spectrometer, Nuclear Instruments and Methods Vol. 9 pp-1-12 (1960). 5. R. M. Lemos Jr., E. S. Fonseca, Medidas de espectros de referência de nêutrons com o Espectrômetro de Multiesfera de Bonner, Congresso Brasileiro de Metrologia, Recife, Setembro (2003). 6. K. A. Lowry, T. L. Johnson, The effect of the choise of response matrix on unfolded Bonner Sphere spectra NRL Memorandum Reporter 5493 (1984). 7. IS08529-1, Characteristics and methods of production, ISO International Orgnization for Standardzation (2001). 8. J. F. Briesmeister, Ed., MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport, Code, Version 4C, LA-13709-M (April 2000). 9. J. A. Cruzate, B. N. Gregori, et. al., Multisphere neutron spectrometric system with thermoluminescent detectors IRPA International Radiation Protection Association, Japan, pp-3b-158 (2002).