OpenMC is a community-driven open-source Monte Carlo neutron and photon transport simulation code. The Weight Window Mesh (WWM) function and an automatic Global Variance Reduction (GVR) method was recently developed and implemented in a developmental branch of OpenMC. This WWM function and GVR method broaden OpenMC's usage in general purposes deep penetration shielding calculations. However, the Local Variance Reduction (LVR) method, which suits the source-detector problem, is still missing in OpenMC. In this work, the Weight Window Generator (WWG) function has been developed and benchmarked for the same branch. This WWG function allows OpenMC to generate the WWM for the source-detector problem on its own. Single-material cases with varying shielding and sources were used to benchmark the WWG function and investigate how to set up the particle histories utilized in WWG-run and WWM-run. Results show that there is a maximum improvement of WWM generated by WWG. Based on the above results, instructions on determining the particle histories utilized in WWG-run and WWM-run for optimal computation efficiency are given and tested with a few multi-material cases. These benchmarks demonstrate the ability of the OpenMC WWG function and the above instructions for the source-detector problem. This developmental branch will be released and merged into the main distribution in the future.
The application of neutron noise analysis (NNA) to the ex-core neutron detector signal for monitoring the vibration characteristics of a reactor core support barrel (CSB) was investigated. Ex-core flux data were generated by using a nonanalog Monte Carlo neutron transport method in a simulated CSB model where the implicit capture and Russian roulette technique were utilized. First and third order beam and shell modes of CSB vibration were modeled based on parallel processing simulation. A NNA module was developed to analyze the ex-core flux data based on its time variation, normalized power spectral density, normalized cross-power spectral density, coherence, and phase differences. The data were then analyzed with a fuzzy logic module to determine the vibration characteristics. The ex-core neutron signal fluctuation was directly proportional to the CSB's vibration observed at 8Hz and15Hzin the beam mode vibration, and at 8Hz in the shell mode vibration. The coherence result between flux pairs was unity at the vibration peak frequencies. A distinct pattern of phase differences was observed for each of the vibration models. The developed fuzzy logic module demonstrated successful recognition of the vibration frequencies, modes, orders, directions, and phase differences within 0.4 ms for the beam and shell mode vibrations.
An integrated neutron interrogation system has been developed for non-destructive assay of highly-radioactive special nuclear materials, to accumulate knowledge of the method through developing and using it. The system combines a differential die-away (DDA) measurement system for the quantification of nuclear materials and a prompt gamma-ray analysis (PGA) system for the detection of neutron poisons which disturb the DDA measurements; a common D-T neutron generator is used. A special care has been taken for the selection of materials to reduce the background gamma rays produced by the interrogation neutrons. A series of measurements were performed to test the basic performance of the system. The results show that the DDA system can quantify plutonium of as small as 20 mg and it is not affected by intense neutron background up to 1.57 × 107 s-1 and gamma ray of 4.43 × 1010 s-1. The gamma-ray background counting rate at the PGA detector was reduced down to 3.9 × 103 s-1 even with the use of the D-T neutron generator. The test measurements show that the PGA system is capable of detecting 0.783 g of boron and about 86.8 g of gadolinium in 30 min.
The optimized design of a Neutron Activation Analysis (NAA) system, including Delayed Gamma NAA (DGNAA) and Prompt Gamma NAA (PGNAA), has been proposed in this research based on Mevex Linac with 5 MeV electron energy and 50 kW power as a neutron source. Based on the MCNPX 2.6 simulation, the optimized configuration contains; tungsten as an electron-photon converter, BeO as a photoneutron target, BeD2 and plexiglass as moderators, and graphite as a reflector and collimator, as well as lead as a gamma shield. The obtained thermal neutron flux at the beam port is equal to 2.06 × 109 (# /cm2.s). In addition, using the optimized neutron beam, the detection limit has been calculated for some elements such as H-1, B-10, Na-23, Al-27, and Ti-48. The HPGe Coaxial detector has been used to measure gamma rays emitted by nuclides in the sample. By the results, the proposed system can be an appropriate solution to measure the concentration and toxicity of elements in different samples such as food, soil, and plant samples.
For the precise measurements of special nuclear materials (SNM) including Pu and Am isotopes, we have used phoswich detector combination of two single crystal scintillators of Gd3Ga3Al2O12:Ce and CsI:Tl. High detection efficiency and sensitivity along with high figure of merit for the discrimination of these phoswich detectors ensures the detection and discrimination of thermal neutrons and gammas from spontaneous fission of Pu and other isotopes in presence of high gamma background. Using this detector, the low energy gammas, which is stopped completely in 1mm thick disc of GGAG, can be also discriminated from high energies gamma and shows linearity in wide range of sample quantities. By changing only the appropriate shielding, the similar setup was used for thermal neutron detection and shows a very good linearity over wide range. The quantity of a test sample was also calculated accurately by using the measured calibrated plot.
NIPS 시스템은 중성자 핵반응 결과 방출되는 즉발 감마선을 정량적으로 측정하는 장치이며 고체 및 액체 폐기물 중 존재하는 다양한 원소를 비파괴적으로 분석할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 NIPS 시스템에 이용된 고순도반도체 검출기의 계측효율을 $^{l33}$Ba 및 $^{152}$Eu 방사성 동위원소 선원과 $^{35}$ Cl(n, ${\gamma}$)$^{36}$ Cl 핵반응 시 발생되는 즉발감마선을 이용하여 80 keV에서 8 MeV까지 넓은 영역에 대하여 구하였다. $^{35}$ Cl(n, ${\gamma}$)$^{36}$ Cl 핵반응을 이용한 고에너지 감마선의 계측효율은 즉발감마선의 방사능 값을 정확히 알 수 없기 때문에 저 에너지 영역에서 정확히 알고 있는 검출기 효율곡선에 규격화시켜 전 에너지 영역에서의 효율보정곡선을 구하였다. 또한 KCl 표준용액에 $^{252}$ Cf 중성자 선원을 조사시켜 표준용액으로부터 방출되는 즉발 감마선을 고순도반도체 검출기로 측정하고 광대역 계측효율 곡선을 이용하여 수용액 시료에서의 평균 열중성자 속을 예측하였다. NIPS 측정시스템은 주변 재료 물질의 핵반응으로 방출되는 감마선 background를 줄이기 위해 두 개의 고순도반도체 검출기를 이용한 동시계수 장치가 고안되었으며, 동시계수 모드에서의 계측효율도 함께 고려되었으며, 표준선원을 이용하여 전 계수 또는 동시계수모드에서의 background에 대한 측정감도를 비교하였다.다.
중성자에너지 영역 0.003 eV에서 10 eV에 대해 천연 Sm의 Sm(n,${\gamma}$) 반응에 대한 중성자 포획단면적을 측정하였다. 교토대학교 원자로실험소의 46-MeV 전자선형가속기에서 발생되는 전자의 광핵반응에 의한 중성자를 사용하였고 TOF 방법으로 측정하였다. 사용한 검출기는 12개의 BGO($Bi_4Ge_3O_{12}$) 섬광체로 구성되었고 이 검출장치로 Sm(n,${\gamma}$) 반응으로부터 나오는 즉발감마선을 측정하였다. 검출장치는 중성자 생성 위치로부터 $12.7{\pm}0.02m$ 위치에 설치되었으며 $^{10}B(n,{\alpha}{\gamma})^7Li$ 반응을 이용해 Sm 시료에 입사되는 중성자 선속을 구하였다. 또한 중성자 선속의 변화를 확인하기 위해 $BF_3$ 검출기로 모니터링 하였다. Sm(n,${\gamma}$) 반응단면적 측정결과는 BROND 2.2에 의한 평가결과와 J. C. Chou 및 V. N. Kononov 의 측정값과 비교하였다.
High-energy linear accelerators are increasingly used in the medical field. However, the unwanted photo-neutrons can also be contributed to the dose delivered to the patients during their treatments. In this study, neutron fluxes were measured in a solid water phantom placed at the isocenter 1-m distance from the head of an18-MV linac using the foil activation method. The produced activities were measured with a calibrated well-type Ge detector. From the measured fluxes, the total neutron fluence was found to be $(1.17{\pm}0.06){\times}10^7n/cm^2$ per Gy at the phantom surface in a $20{\times}20cm^2$ X-ray field size. The maximum photo-neutron dose was measured to be $0.67{\pm}0.04$ mSv/Gy at $d_{max}=5cm$ depth in the phantom at isocenter. The present results are compared with those obtained for different field sizes of $10{\times}10cm^2$, $15{\times}15cm^2$, and $20{\times}20cm^2$ from 10-, 15-, and 18-MV linacs. Additionally, ambient neutron dose equivalents were determined at different locations in the room and they were found to be negligibly low. The results indicate that the photo-neutron dose at the patient position is not a negligible fraction of the therapeutic photon dose. Thus, there is a need for reduction of the contaminated neutron dose by taking some additional measures, for instance, neutron absorbing-protective materials might be used as aprons during the treatment.
The purpose of this study was to demonstrate the feasibility of sensing changes in a tumor during boron neutron capture therapy (BNCT) using a Monte Carlo simulation tool. In the simulation, an epi-thermal neutron source and a water phantom including boron uptake regions (BURs) were simulated. Moreover, this simulation also included a detector for positron emission tomography (PET) scanning and an adaptively-designed collimator (ADC) for PET. After the PET scanning of the water phantom, including the 511 keV source in the BUR, the ADC was positioned in the PET's gantry. Single prompt gamma rays were collected through the ADC during neutron irradiation. Then, single prompt gamma ray-based tomography images of different sized tumors were acquired by a four-step process. Both the signal-to-noise ratio (SNR) and tumor size were analyzed from each step image. From this analysis, we identified a decreasing trend of both the SNR and signal intensity as the tumor size decreased, which was confirmed in all images. In conclusion, we confirmed the feasibility of sensing changes in a tumor during BNCT using PET and an ADC through Monte Carlo simulation.
Tensioned metastable fluids provide a powerful means for low-cost, efficient detection of a wide range of nuclear particles with spectroscopic capabilities. Past work in this field has relied on one-component liquids. Pure liquids may provide very good detection capability in some aspects, such as low thresholds or large radiation interaction cross sections, but it is rare to find a liquid that is a perfect candidate on both counts. It was hypothesized that liquid mixtures could offer optimal benefits and present more options for advancement. However, not much is known about radiation-induced thermal-hydraulics involving destabilization of mixtures of tensioned metastable fluids. This paper presents results of experiments that assess key thermophysical properties of liquid mixtures governing fast neutron radiation-induced cavitation in liquid mixtures. Experiments were conducted by placing liquid mixtures of various proportions in tension metastable states using Purdue's centrifugally-tensioned metastable fluid detector (CTMFD) apparatus. Liquids chosen for this study covered a good representation of both thermal and fast neutron interaction cross sections, a range of cavitation onset thresholds and a range of thermophysical properties. Experiments were devised to measure the effective liquid mixture viscosity and surface tension. Neutron-induced tension metastability thresholds were found to vary non-linearly with mixture concentration; these thresholds varied linearly with surface tension and inversely with mixture vapor pressure (on a semi-log scale), and no visible trend with mixture viscosity nor with latent heat of vaporization.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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