Личное измерение

Интересные проекты, выдающийся коллектив,
уникальный город

Гость рубрики - младший научный сотрудник Лаборатории нейтронной физики Максим ПОДЛЕСНЫЙ.

Он родился в нашем городе, окончил с золотой медалью лицей "Дубна", в 2011-2013 годах трижды становился призером Всероссийской олимпиады школьников по физике, поступил в Московский физико-технический институт на кафедру общей и прикладной физики. В 2019 году Максим с отличием окончил магистратуру МФТИ и продолжил обучение в аспирантуре. В прошлом году под руководством начальника научно-экспериментального отдела комплексов спектрометров ИБР-2 Виктора Ивановича Боднарчука защитил кандидатскую диссертацию "Разработка и создание широкоапертурных детекторов нейтронов на основе сцинтиллятора ⁶LiF/ZnS(Ag) для спектрометров по времени пролета". Еще будучи студентом, Максим начал заниматься разработкой детекторов тепловых нейтронов. На страницах еженедельника он расскажет о том, как проходили восемь лет такой результативной научной деятельности, об исследовательских работах, перспективах разработанных методик и систем.

Моя деятельность в ЛНФ ОИЯИ началась в 2016 году. Под руководством Владимира Васильевича Круглова я участвовал в создании детекторов тепловых нейтронов с использованием сцинтиллятора ⁶LiF/ZnS(Ag). Такие детекторы обладают невысокой гамма-чувствительностью (10^-6) и хорошей эффективностью конверсии тепловых нейтронов уже при толщинах менее 0,5 мм, что крайне важно для спектрометров с высокой разрешающей способностью (Δd/d ~ 0,001).

Детектор АСТРА-М

Бакалаврская работа была посвящена проведению исследований в рамках проекта по созданию детектора АСТРА-М для Фурье-стресс дифрактометра реактора ИБР-2. Установка предназначена для измерения внутренних механических напряжений в исследуемых материалах. Создаваемый детектор должен был заменить основной детектор установки АСТРА. Главным преимуществом нового детектора было троекратное увеличение апертуры - 0,55 стерадиана. Кроме того, его конструкция отличается меньшим количеством мертвых зон, новой технологией формирования поверхностей сцинтилляционных экранов для точной временной фокусировки, унификацией нейтронных счетчиков, которая упрощает процесс создания и обслуживания детектора, а также новой системой позиционирования счетчиков для упрощения процесса юстировки детектора. За счет касательного расположения сцинтиллятора к направлению рассеянных на образце нейтронов средняя эффективность конвертации тепловых нейтронов (1,8 А) составляет 72%. В 2022 году детектор АСТРА-М был собран и установлен на пучке 11-а ИБР-2.

В рамках бакалаврской работы были созданы специализированные нейтронные счетчики для исследования свойств нейтронных сигналов. Предложен метод определения глубины взаимодействия нейтрона в сцинтилляторе с помощью счетчика с индивидуальным сбором света с каждой поверхности сцинтиллятора по величине отношения амплитуды сигналов. Однако сама методика имеет ограничения применимости для сцинтилляторов ⁶LiF/ZnS(Ag), обусловленная их низкой прозрачностью.

Нейтронный счетчик с использованием оптических волокон, разведенных с разных поверхностей на отдельный ФЭУ	Сигнал нейтрона, наблюдаемый с двух ФЭУ от одного нейтронного события. По отношению амплитуд сигналов можно определить глубину сцинтилляции

Моя магистерская работа была посвящена исследованию формы нейтронных сигналов, характерных для сцинтилляционных счетчиков с низкой эффективностью светосбора. В первую очередь образование этих форм обусловлено низкой эффективностью волоконных световодов с переизлучателем спектра, поскольку доля света, переизлучаемая под углами полного внутреннего отражения, составляет меньше 10% даже для многослойных волокон. Вследствие длинного послесвечения, характерного для сцинтиллятора ZnS(Ag), и сложной формы сигналов для работы с данными сигналами приходится вводить мертвое время порядка нескольких микросекунд. Поэтому при высоких загрузках одного канала регистрации стандартный метод с дискриминацией сигнала по его длительности и непродлевающимся мертвым временем является неэффективным. Нашей группой был предложен зарядовый метод обработки сигналов PSD (Pulse shape discrimination), который представляет собой измерение зарядов, накопленных за два промежутка времени после срабатывания амплитудного дискриминатора. При высоких загрузках возможно попадание более одного нейтрона в заданные временные окна. В случае выделения этих событий появляется возможность увеличения нейтронного счета.

Зависимость нейтронного счета для PSD-метода и метода с непродлевающимся мертвым временем от интенсивности нейтронного потока	Собранный двухкоординатный детектор

Моделирование высокой загрузки было выполнено наложением нейтронных сигналов методом Монте Карло согласно Пуассоновскому распределению для интенсивности нейтронных событий 10⁶ н/c. Исследование проводилось с использованием реальных нейтронных сигналов, записанных с экспериментального стенда. Показано, что данный метод при интенсивности 10⁶ н/c хорошо фиксирует факт попадания второго нейтрона ~ 80%).

Позже было проведено экспериментальное сравнительное исследование PSD-метода с методом фильтра по длительности сигнала с использованием нейтронного генератора и одного счетчика детектора АСТРА-М. Результат исследования показал двукратное повышение эффективности выделения нейтронного сигнала при загрузке одного канала регистрации порядка 3x10⁴ н/c. Работа является актуальной, поскольку рассчитанная пиковая загрузка одного канала регистрации на детекторе АСТРА-М с использованием прерывателя Фурье составляет 7,18x10⁴ н/c, а на ДОР (детекторе обратного рассеяния) - 2,17x10⁵ н/c. Таким образом, предложенный метод позволил существенно повысить эффективность выделения нейтронного сигнала для созданных детекторов.

Основная моя деятельность во время учебы в аспирантуре была посвящена разработке и созданию широкоапертурного детектора обратного рассеяния для Фурье-дифрактометра высокого разрешения ИБР-2 на основе сцинтиллятора ⁶LiF/ZnS(Ag) с использованием разработанных методик. Детектор имеет кольцевую структуру, содержит 6 кольцевых сборок, перекрывающих область углов рассеяния 2θ = (133-175)°, полный телесный угол детектора равен 2 стерадианам. Средняя эффективность конвертации тепловых нейтронов (1,8 А) составляет 85% для двух слоев сцинтиллятора. Для расчета основных параметров мною был разработан комплекс программ, написанный на языке программирования Wolfram Language в системе Mathematica. И здесь я должен поблагодарить друга из МФТИ Александра Казанцева, магистра Mathematica, который помогал реализовывать сложные алгоритмы. Программа позволяет рассчитать геометрию детектора, эффективность конвертации тепловых нейтронов, а также вклад в геометрическую компоненту функции разрешения спектрометра методом Монте Карло.

В данный момент детектор обратного рассеяния находится на финальном этапе сборки. Его настройка и ввод в эксплуатацию планируется с пуском реактора ИБР-2.

Параллельно был создан прототип двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора на основе сцинтиллятора ⁶LiF/ZnS(Ag) с использованием спектросмещающих оптических волокон квадратного сечения. Размер детектирующей поверхности 96x96 см², соответствует 16 каналам регистрации по оси X и 16 каналам по оси Y. Конструкция детектора включает в себя четыре слоя сцинтиллятора, между которыми расположены световоды. К сожалению, низкая прозрачность сцинтилляционных экранов к собственному излучению не позволяет получить засветку волокон с обеих сторон сцинтиллятора (оптимальная толщина сцинтиллятора должна быть 0,25 мм при использованной 0,42 мм), поэтому эффективность детектора составила 8% при 80% эффективности конвертации. Тем не менее освоенные методики и полученный опыт позволят создать в будущем двухкоординатные детекторы большой площади.

С сентября 2020 года я принимаю участие в проекте импульсного реактора НЕПТУН. Основная работа заключается в проведении аналитических и численных термомеханических расчетов температурных полей в тепловыделяющих элементах, исследуются механические деформации разных конструкций твэлов.

Для исследовательских реакторов характерны компактные активные зоны и сравнительно толстые топливные стержни. Вследствие неравномерности нейтронного потока в активной зоне реактора имеет место заметный градиент энерговыделения, а, следовательно, и температуры в сердечнике твэла и в его стальной оболочке в радиальном направлении к центру активной зоны. Следствием градиента температуры является изгиб таблеток и оболочки.

Для определения температурных полей были проведены аналитические и численные теплофизические расчеты. Полученные поля в виде начальных условий были подгружены в модель ANSYS, с помощью которой было проведено исследование механических деформаций разных конструкций твэлов. Из важных результатов хочется выделить обнаружение динамического изгиба твэлов - биения, обусловленные собственными модами колебаний и частотой внешней возмущающей силы (импульсы мощности реактора). Закрепление твэла напрямую влияет как на собственные моды колебаний и их амплитуду, так и на направление смещения топливных стержней. Данный эффект играет значительную роль в оценке устойчивой работы пульсирующих реакторов.

В 2023 году я предложил, и коллеги меня поддержали, модель по расчету температурных полей в тепловыделяющих сборках (ТВС), позволяющую оценивать перепад температур стенок ТВС, а также получить величину эффективной температуропроводности для ТВС. Следующим этапом станет уточнение развития данной модели и построение модели динамики реактора НЕПТУН, а также разработка и создание специализированных стендов для проведения экспериментов для верификации полученной модели.

***

В студенческие годы мое появление в ОИЯИ произошло в какой-то степени спонтанно. Если быть точнее, при поступлении в МФТИ я выбрал кафедру в ОИЯИ в первую очередь из­за географического положения. Научные интересы сформированы не были в тот момент, я просто любил решать задачи по физике, математике и информатике. Хотел получить достойное образование и уже в процессе обучения определиться с дальнейшими планами. А моментом, когда бы я уже мог сказать, что сознательно выбрал работу в ОИЯИ, можно назвать защиту кандидатской диссертации. И в этот раз по причине наличия интересных проектов, в случае проекта НЕПТУН - я бы добавил уникальных. В числе преимуществ я бы также отметил выдающийся коллектив, как в научных свершениях, так и в личностных качествах. Уникальный город, который идеально подходит для моего образа жизни. Я увлекаюсь футболом, теннисом, настольным теннисом, лыжным и горнолыжным спортом, играю в шахматы. Пробежал два беговых марафона и два лыжных, за ОИЯИ выступаю на КФК и на городских соревнованиях. Совмещать все это получается, потому что в городе и Институте есть соответствующая инфраструктура, не надо тратить время на дорогу. Кроме того, я любитель настольных игр и хороших компаний. В этом отношении наш ОМУС - лучший!