Hızlı nötron ışınlama ünitesi sames T-400 tanıtımı ve karakteristiklerinin tayini

t ü r kIy e a t o m e n e r jIs î k u r u m u

l/ ÇEKM ECE N Ü KLEER ARAŞTIRMA VE EĞİTİM MERKEZİ

Ç.N.A.E.M. A . R - 262

HIZLI NÖTRON IŞINLAMA ÜNİTESİ SAMES T-400 TANITIM I VE KARAKTERİSTİKLERİNİN TAYlNt

G. Tarcan, E Gültekıu, Y. özbir, A. Baykal, M.Subaşı N. Erduran, H. Atasoy, E. ipekçi

FlZİK BÖLÜMÜ

Temmuz 1989

â

İt

y - \

Ç.N.A.E.M. A . R - 262

HIZLI NÖTRON IŞINLAMA ÜNİTESİ SAMES T-400 TANITIM I VE KARAKTERİSTİKLERİNİN TAYİNİ

G. Tarcan, E Gültekin, Y. özbir, A. Baykal, M.Subaşı N. Erduran, H. Atasoy, E. İpekçi

FİZİK BÖLÜMÜ

Temmuz 1989

HIZLI NÖTRON IŞINLAMA UNITESt SAMES T-400 TANITIMI VE KARAKTERİSTİKLERİNİN TAYtNl

S. Tarcan, E. Sültekin, Y. özbir, A- Baykal, M. Subaşı N. Erduran, H. Atasoy, E. ipekçi

Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi Fizik Bölümü PK. 1 34831 Havaalanı— İstanbul

ÖZET s

CNAEM Fizik Bölümünde oluşturulan Hızlı Nötron Fiziği Labora­ tuarının temel cihazı olan SAMES T-400 alçak enerjili iyon hız­ landır ıcısının geniş bir tanıtımı yapılmıştır.

Sistemi i güvenli olarak çalışmasını sağlamak için sonradan tasarlanarak sisteme eklenen destek üniteleri ve örnek ışınlamak için yapılan pnömatik transfer sistemi açıklanmıştır.

Ayrıca, sistemin döteron huzmesinin hedef üzerindeki yeri tes­ pit edilmiş, d—d tepki 1 esiminden elde edilen nötronların, akışı ve açısal dağılımı tayin edilmiştir.

SAMES T—400 FAST NEUTRON IRRADIATION SYSTEM

ABSTRACT:

The Fast Neutron Physics Laboratory, Which was recently set up in CNAEM Physics Department, is introduced. The Fast Neutron Irradiation System, based on a low energy ion accelerator (SAMES T—4 0 0 ), is described in detail.

Additional support units designed for reliable and safe operation of the system and a pneumatic sample transfer system are also described.

In addition, the position of the deuteron beam spot on the target, the neutron flu>: and the angular distribution of neutrons from the ^Htd^l^He reaction, were determined.

H t • • rt • a I M M M X M M İÇİNDEKİLER sayfa 1— Hızlandırıcının tanıtımı . 1.1- Hızlandırma ünitesi . 1.2- Yüksek gerilim ünitesi 1.3- Kontrol ünitesi .

zlandırıcıya ilave edilen yardımcı üniteleri ... 3 1- Otomatik kelebek vana " Baffle " kapayıcısı... 3 2- Kapalı devre su sisteminin soğutulmasını sağlayan

Freonlu soğutucu . . . 3 3- - Pnömatik transfer sistemi . ... . . . 3

1 1

2

3

zlandırıcı ile yapılan ilk ölçmeler ... . . . . 4 1- Döteron huzmesinin hedef üzerindeki yerinin tayini. . 4 2— d-d tepki 1 esiminden elde edilen nötronların

akışının ve açısal dağılımının tayini . . . 4

ü

i—H ı z 1 a n d ı r ı c m m tanıtımı

SAMES T-400 iyon hızlandırıcısı özel olarak yaptırılmış binasında çalışmaktadır. Hızlandırıcının bulunduğu salonun bo­ yutları (İSMİOy. 6) metre ve duvar kalınlıkları 130 cro olup < Se­ kil 1 ) ölçüm ve data analiz laboratuarı ile olan bağlantıları, binanın yapımı sırasında duvarlarda bırakılan geçiş kanalları ile sağlanmaktadır.

Hızlandırıcı çeşitli ünitelerden oluşmaktadır bunları 1- Ana hızlandırma ünitesi

2- Yüksek gerilim ( YG > ünitesi ( Hermetik YG jeneratörü, besleme ve regülasyon kabini, YG kapasitesi, damping di­ rençleri )

3- Kontrol ünitesi

t.1- Ana hızlandırma ünitesi s

Bu ünite vakum sistemi, iyon kaynağı, hızlandırma kolonu, elektrostatik quadropol mercek, diyafram, elektron tuzağı, döte— ran huzme kesicisi < Retractable target) ,hedef ve uzaktan ku­ manda imkanını sağlayan çeşitli servomotor1 ardan oluşmaktadır ( Sekil 2>. Vakum sistemi, çift kademeli 300 lt/m lik bir mekanik pompa ile 600 lt/s lik bir yağ— di füzyon pompasından meydana gelmektedir. Ayrıca -30 °C da freon soğutmalı bir "tuzak " da mevcuttur. Erişilen en iyi vakum değeri 8x10"”^torr dur. Bu de­ ğerler güvenirliği arttırmak amacı ile biri sisteme sonradan ilave edilen iki ayrı hoşluk ölçer (penning) tarafından okunmak­ tadır .

iyon kaynağı, kuartz bir tüp , osmoregülatör, yüksek frekans kaynağı ve bir konsantrasyon bobininden oluşmaktadır. Osmoregü— 1 atörün bir parçası olan palladyum tübün ısıtılarak g eç ic i ni n

kontrol edildiği döteryum gazı, İOO MHz lik bir yüksek frekans osilatörü ile iyonize edilerek bir döteton plazması elde edil­ mektedir. Maksimum değeri +5 kV olan ekstraksiyon voltajının uy­ gulanması ile iyonlar hızlandırma kolonuna itilmektedir.

Hızlandırma kolonu, konik hızlandırma elektrodlar inin yalıt­ kan " virole " izolatörlerle birIeştiriİmelerinden meydana gel- mistir. Sabit alan tipindedir. Her biri 325 MSI luk sekiz adet direne ile birbirlerine seri bağlanan elektrodlara maksimum de­ ğeri 400 kV olan yüksek gerilim bölünerek dağıtılmaktadır. tik elektrod fokalizasyon elektrodu olarak kullanılmaktadır.

Elektrostatik quadropol mercekler, hızlandırılan yüklü tane­ cik huzmesinin merkezde tutulması, hedef üzerine düşen huzmenin toplanması,çapının belirlenmesi ve iyon kayıplarının giderilmesi için gerektiğinde kullanılan dört çift polarizlenmiş plakadan oluşmaktadır.

Diyafram,ortasında 30 mm lik dairesel delik bulunan bir pla­ kadan meydana gelmektedir ve iyon huzmesinin çapı hakkında bilgi edinebilmek için kullanılmaktadır. Elektriksel olarak izole edildiğinden, topladığı yüklü taneciklerin akımının okunmasına imkan vermektedir. Kuvvetli akımlarda soğutulmak için dışına bir su ceketi geçirilmiştir.

Elektron tuzağı, hedef üzerine düsen iyon huzmesinin sebep olduğu sekonder elektronları geri yansıtmak üzere tam hedef ar­ kasına monte edilen ve -200 Volt da tutulan dairesel ve delikli bir plakadır. Bu hedef akımının doğru okunmasını sağlar.

Döteron huzme kesicisi, hedef öncesinde huzmeyi kesmek üzere kullanılan ve su ile soğutulan "tantalyum*‘dan yapılmış bir ka­ paktır. Hareketi pnömatik olarak kontrol ünitesinden sağlanmak­ tadır. Çalışma durumundaki slcaklığı,döteronlarm absorpsiyonuna imkan vermeyecek derecededir.

Hedef, 49 mm çapında ve 1 mm kalınlığındaki bakır bir disk üzerine 30 mm çapında kaplanmış titanyum tabakasına emdirilmiş trityum’dan meydana gelmiştir. Kullanılan alanı 7 cm*, aktivitesi ise 5 £i dir. Soğutulması, akışı dakikada minimum 2 İt, kalınlığı 1,8 mm olan bir su tabakası ile arkadan yapılmaktadır. Çalışma yarı ömrü maksimum rejimde ( 400 kV— 2 mA ) yaklaşık 2mA.saattir. SAIİES firmasının verdiği bilgilerden, yeni bir hedef ile elde edilebilecek nötron çıkısı d—t tepki leşimi için 5.10lln/s, d-d için ise 8.lO^n/s dir.

1.2— Yüksek gerilim ( YG ) ünitesi:

Hızlandırıcının en büyük ve Önemli ikinci ünitesidir. YG her­ metik ünitesi, çeşitli besleme katlarını eksitasyon, regülasyon ve koruma devrelerini içeren kabini , YG kapasitesi ve damping dirençlerinden meydana gelmiştir.

Yüksek gerilim ünitesi, 240 cm yüksekliğinde ve 40 cm çapın­ da dik silindirik ve hermetik bir yapıya sahiptir.Bu sistem yü­ zeyi az iletken bir madde ile kaplı yalıtkan bir silindirik ro­ toru içerir ve bu 20 atm. lik hidrojen gaz basıncı altında yük­ sek bir hızla ekseni etra f m d a döner. Debisi dakikada minimum İO İt olan t<30°C lik bir su akışı ile soğutulmaktadır. cok yüksek bir stabiliteye haizdir. YG değişimi 7. S. 10_e* den daha küçük­ tür. Maximum 400 kV üretmekte, sUrekli çalışmalarda 2 mA, darbe- 1 ilerde ise 3mA sağl ıyabi 1 inektedir .

Regülasyon kabini ön ve arka olmak üzere iki kısımdan olus~ maktadır. Arka kısımda Y.G. hermetik üniteye orta yükseklikte ( max.50 kV ) eksitasyon voltajı sağlayan devreleri içerir, ön kı­ sım ise düşük voltaj beslemelerini, çeşitli regülasyon ve koruma devrelerini kapsar.

C ünitesi, değerleri 2500pF ve 250 pF olan iki Y.G. kapasi­ tesinden meydana gelmektedir.

Damping dirençleri , çıkışta vuku bulabilecek bir deşarjın ümitlendiril meşine dolayısiyle Y.G. ünitesini korumaya yardımcı olurlar. İki adet mevcuttur değerleri ise 3 Mfi dur.

1.3- Kontrol ünitesi.

Hızlandırıcının çalıştırılmasında uzaktan her türlü kontrol imkanı veren, sistemin çeşitli yerlerinden bilgi aktarmak üzere bir cok göstergeleri ihtiva eden önemli bir kısımdır. Y.B. üre­ tecinin ve iyon kaynağının çalıştırılmasını, Y.G. değerini, iyon kaynağına gaz girişini, uygulanan yüksek frekans gücünü, fokali- zasyon ve eksitasyon geri 1 imlerinin kontrolünü sağlar. Ayrıca Y.G.in şiddetini ve gecen akım miktarını, sekonder vakum seviye­ sini, hedef ve diyafram akım şiddetlerini bildiren göstergele- riynihayet iyon kaynağı, Y.G. ve vakumla ilgili çeşitli koruma­ ları i cer ir.

2— Hızlandırıcıya ilave edilen yardımcı üniteler 2.1— Otomatik kelebek vana ” Baffle " kapayıcısı.

Hızlandırıcının çalıştırılması sırasında eksikliği duyulan ve güvenliği arttırıcı önlemlerin en başında gelen cihaz, otoma­ tik vana kapayıcısıdır. Ani elektrik kesilmelerinde veya soğutma sistemindeki bir aksamada, hızlandırma kolonu ile difüzyon pom­ pasını ayıran ve böylece hızlandırıcı kolona yağ kaçmasını önle­ yen kapağın otomatik olarak derhal kapanmasını sağlayan ve pnö— matik çalışan bir sistem gerçekleştir!İmiştir ( Sekil 3 ). Böy— lece hızlandırıcının sürekli olarak 24 saat güvenli bir şekilde çalışması sağlanmıştır.

2.2— Freonlu soğutucu

Hızlandırıcının vakum sistemi dışında çeşitli ünitelerin so­ ğutulmasını sağlayan kapalı devre su soğutma sisteminin sürekli çalışmalarda ve çevre sıcaklığının yüksek olduğu zamanlarda ye­ tersiz kalmaması için sistem suyunun istenilen sıcaklık aralı­ ğında tutulmasını sağlayacak olan ve Freon 12 ile çalışan güçlü bir soğutucu yapılarak devreye sokulmuştur»

2.3— Pnömatik transfer sistemi

örnek ışınlamaları için kullanılmak üzere tek yollu bir pnömatik transfer sistemi yapılmıştır. 6,30 m boyunda ve (12x28) mm dikdörtgen kesitinde bir dalga kılavuzu borusundan yapılan sistem, hızlandırıcı ile sayım laboratuarı arasına yerleştiril­ miştir < Sekil 4 ).

örnekler,özel olarak hazırlanan 27 mm çapında ve 10 mm yük­ sekliğindeki polietilen kaplarla, transfer sistemi kullanılarak ışınlama yerine gönderilmektedir.örnek kabının hedef önündeki ışınlama yerine tam olarak yerleşmesi de, çok hassas bir mic­ ro— switch*le takip edilmektedir.

3- Hızlandırıcı ile yapılan ilk ölçmeler

Hızlandırıcının ve yardımcı ünitelerin kurulması işlemleri­ nin sonunda uzunca bir zaman test çalışmaları sürdürülmüş ve sistemin her kısmının ayrı ayrı kontrolleri yapılmıştır. Aksayan hususlar giderilmiş, daha sonra aletin çeşitli karakteristikle­ rini tayin etmek üzere ilk ölçmelere geçilmiştir.

3.1- Döteron huzmesinin hedef üzerindeki yerinin tayini.

Nötron ışınlaması sırasında örnek kutusu ile döteron huzmesi­ nin aynı simetri ekseninde olması gerektiğinden , huzmenin hedef üzerindeki yerinin hassasiyetle bilinmesi gerekmektedir.Bunun için, nötronlara hassas CR 39 dozimetre filmi kullanılmıştır. Hızlandırılan döteronların < 200 keV > bos bakır hedef plakasını dövmesi sonucunda döteron birikimi ile oluşan sahte hedef ile aHı(d,n)3He tepki leşimi neticesinde üretilen yaklaşık 2,5

MeV enerjili nötronlardan istifade edilmiştir. İlk ölçümlerin sonunda, sahte hedefin arkasına yerlestirilen CR 39 filminin in­ celenmesinden, huzmenin simetri ekseninin hedefinki ile çakışma­ dığı görülmüştür.Bu durum ayrıca; parlatılmış bakır disk üzerin­ deki döteron huzmesinin bıraktığı izin karşılaştırılmasiyİ e de

doğrulanmıştır. •

Bu durumda huzme doğrultusunun değiştirilmesi yoluna gidilme­ miş* buna karşılık örnek kabının merkezi huzmenin merkezine göre ayarlanmıştır. Bu sayede hedef,ekseni etrafında 90° lik açılarla döndürülerek aktif kısmının her tarafından yararlanma imkanı ya­ ratılmıştır ( Sekil 5 ).

3.2- d—d tepki 1esiminden elde edilen nötronların akışının ve açısal dağılımının tayini

Yukarıdaki paragrafta sözü edildiği gibi üretilen 2.5 MeV enerjili d-d tepki leşim nötronlarının mutlak akışı, indium " foil aktivasyonu" yöntemi ile belirlenmiştir. Bu uygulamada 2-4 gr/cnı* kalınlıkta ve 12 mm çapındaki Indium foiller silindrik polietilen kapsüller içine yerleştirilerek transfer sistemi yar­ dımı ile ışınlama bölgesine gönderilmiştir. 1800 saniye süre ile nötronlarla ışınlanan In örnekte 1 *-aIn <n,n ’>11WmIn tepkile- şimi ile oluşan 4,486 saat yarı ömürlü llîSmIn bozunumunu takip eden 336,2 KeV lik gamalar sayılarak nötron akışı belirlenmiş—

P 03 (D CD H •H P M d *H «M 0 d d cd H H •9 O te CD O» ra d cd d 0 • P _& H 0 d p te• _{â 3} ÖO CDcd •H CD JH O cd te te te cd a 0 cM 09 i> M Ö a o 5 •H d o te M P -d rO0 & g a • p o 0 te R s tb H (D ı—1 P ,5) cd • 0 d 0 •H cd M te te M te t> 1 I 1 1 1 1 LP\ VD t> GO ON o r-İ H H rH H H CNİ CNJ :s •H d :o d te p CD O 0 H d rH H d P •H rH d te _{CQ S3} 0) o te 0 O d d d te H 0 •H P te 0 ra M te d P d (D :o d cd d te H P d o o o te CD cdr-j oî>* •Hi>* 0 d & H :o i p J3 P s te cd CD tsl cd cd H d P d 0 d • r^l g d p J3 p te cd a cd ra a • _{te ra d te} }H _{9 o} 1 O M_{ı te| ÎH} 1 KN te 1 ( i Ch H c\jI H H H H H tıD d d 0 •rt g H 0 0 o cd d N 0 O d

a

a

a

a

1- Basınçlı hava bağlantıları 2- Pnömatik silindir

3- Hızlandırma kolonu tarafı

4- Kelebek vana

5- El ile kumanda kolu 6- Difüzyon pompası tarafı

tir.Ayrıca bu ölçmeler 200 KeV enejili döteronlarla elde edilen derişik hedef akımlarında ( ISO—450 PA)tekrar1 anarak hedeften yaklaşık bir metre uzağa döteron huzmesine dik olarak yerleşti­ rilen bir BF3 uzun sayıcısının nötron akışı cinsinden kalibras- yonu da yapılmıştır! Sekil 6 ).

öte yandan ileride yapılması düşünülen nükleer yapı ile il­ gili ölçümlere hazırlık olmak üzere, SAMES T-400 den elde edilen d—d nötronlarının hedef çevresindeki açısal dağılımları da yi­ ne " Indium foil aktivasyonu " yöntemi ile tayin edilmiştir.

Bu ölçmeler d-n tepki leşim düzleminde, kaynaktan 75(1) mm uzaklıkta —80° ile +140* arasında 20® lik acılarla yerleştirilen İn foillerin 4 saat süre ile ışınlanması ile gerçekleştirilmiş­ tir ( 200 kV- 400 PA ). Şekil 7 de, 0® laboratuar acısındaki efektif nötron akışı ve d—n tepki leşim kesitine normalize edilmiş acıya bağımlı akı dağılımı ile 0,2 MeV döteron ener­ jisindeki normalize edilmiş diferansiyel tepkilesim kesitleri karşılaştırılmistir.

4 — S o n u c l a r s

Tanıtımı yapılan SAMES T-400 alçak enerjili iyon hızlandırı­ cısı hızlı nötronlarla yapılacak araştırmalarda sisteme eklenen üniteler yardımı ile güvenle sürekli hizmet verebilecek hale ge­ tirilmiştir.

Ayrıca birbirinden farklı fiziksel prensiplerle çalışan ünite­ lerin mevcut olmasından eğitim maksadı ile de kullanılabilecek bir sistemdir.

1- Hızlandırma salonu 2- Monitör

3- Transfer sistemi 4- Hedef

5- Ana hızlandırma ünitesi 6- Y.G.Kapasitesi

7- Damping dirençleri 8- Hermetik Y.G. ünitesi 9- Besleme,regülasyon kabini 10- Su soğutma sistemi 11- Freonlu soğutucu 12- Duş 13- Hedef hazırlama ve depolama odası 14- Seminer odası 15- Ölçme laboratuarı 16- Ge detektörü 17- Analizör MCA 18- Elektronik üniteler 19- Uzaktan kontrol ünitesi 20- IBM Computer

21- Computer terminal odası

2

T

r i

J

3T

9- Hedef soğutma suyu 10- Transfer borusu

11- Pnömatik valf kutusu 12- Basınçlı hava girişi

13- Blektrikli elemanlar kutusu 14- Gösterge lambaları

15- Elektro-mıknatiz butonu 16- Transfer borusu kapağı

I

Şekil 5 Hedefin döndürülerek aktif kısmının her tarafından yararlanılması

NÖTRON AKIŞI/10**6(n/5e£.cm **2)

(F/FO)x(S/SO)