DOI: https://doi.org/10.3329/bjphy.v32i2.81761
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Jamila Yousfi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفيزياء النووية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تستخدم هذه الدراسة كود مونت كارلو PHITS لمحاكاة توزيع تدفق النيوترونات والفوتونات وطيف طاقتها داخل نظام تحليل تنشيط غاما الفوري (PGAA) لمفاعل TRIGA Mark II المغربي. تم فحص تكوينات مختلفة، بما في ذلك تأثيرات فلتر الياقوت، الغالق المغلق، والغالق المفتوح. تشير النتائج إلى أن فلتر الياقوت يخفف بشكل فعال من أشعة غاما، مما يقلل من التلوث في كاشف PGAA. تكوين الغالق المغلق يحجب بنجاح كل من النيوترونات والفوتونات، وخاصة النيوترونات السريعة، بينما يسهل تكوين الغالق المفتوح مرور شعاع النيوترون دون عائق، مما يعزز أداء النظام.
في الختام، تؤكد المحاكاة فعالية المواد المستخدمة، وخاصة فلتر الياقوت Al₂O₃، والفولاذ، وحلقات HDPE، في تقليل الإشعاع الطفيلي وتحسين تركيز شعاع النيوترون في مركز نظام PGAA. يقلل تكوين الغالق المغلق بشكل كبير من تدفق النيوترونات والفوتونات، مما يثبت دوره في حجب الإشعاع غير المرغوب فيه. على العكس، يزيد تكوين الغالق المفتوح من تدفق الجسيمات، مما يضمن النقل الكامل لشعاع النيوترون عبر الكوليماتور الفولاذي. تؤكد هذه النتائج الوظيفة الحيوية للغالق في تعديل انتشار الشعاع لتلبية الاحتياجات التجريبية، مما يعزز التحكم في الإشعاع والكفاءة في تطبيقات PGAA. تصادق الدراسة على تصميم نظام PGAA وتقترح سبل تحسين التجارب المستقبلية.
مقدمة
تستعرض المقدمة تركيب نظام تحليل تنشيط غاما الفوري (PGAA) في مفاعل TRIGA Mark II البحثي المغربي، الذي تم تسهيله من خلال التعاون مع الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA). يعمل هذا المفاعل بقدرة 2 ميغاوات باستخدام يورانيوم منخفض التخصيب وتعديل الجرافيت، ويتميز بقناة NB1 المائلة المصممة لتحسين استخراج النيوترونات الحرارية مع تقليل التعرض للنيوترونات السريعة وإشعاع غاما. تقنية PGAA، المعروفة بحساسيتها العالية ودقتها، تتضمن إشعاع هدف بالنيوترونات، مما يؤدي إلى انبعاث إشعاع غاما الفوري، الذي يتم الكشف عنه لاحقًا باستخدام أنظمة الكشف المتقدمة مثل كواشف الوميض أو كواشف الجرمانيوم عالي النقاء (HPGe).
تؤكد المقالة على المكونات الحيوية لإعداد PGAA، بما في ذلك الكوليماتور، فلتر الياقوت، الغالق، دليل النيوترون السوبرمرور، ووقف الشعاع، جميعها ضرورية لتعزيز أداء التقنية. يركز البحث على محاكاة تكوين PGAA لحساب توزيع تدفق النيوترونات وطيف فوتونات غاما أثناء التفاعلات مع عينات الهدف. تهدف الدراسة إلى تقييم فعالية طريقة PGAA في إعدادات تجريبية محددة وتحسين تطبيقها لتحليلات نووية متنوعة، باستخدام كود PHITS القائم على طريقة مونت كارلو لتحليل تأثيرات التكوينات المختلفة، خاصة فيما يتعلق بإعدادات الكوليماتور والغالق.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء محاكاة مونت كارلو باستخدام الإصدار 3.34 من كود PHITS لتحليل توزيع تدفق النيوترونات وأشعة غاما وطيف الطاقة داخل نظام تحليل تنشيط غاما الفوري (PGAA)، باستخدام طيف مصدر نيوتروني من مفاعل TRIGA MARK II المغربي. شملت المحاكاة نموذجًا تفصيليًا لمكونات PGAA، بما في ذلك كوليماتور نيوتروني مصنوع من الألمنيوم وحلقات الفولاذ الكربوني، وفلتر ياقوتي لتخفيف النيوترونات، وغالق مصمم لتقليل تسرب النيوترونات مع زيادة الكشف عن فوتونات غاما. تم تعريف هندسة الكوليماتور بدقة، مع ميزات مواد وأبعاد متنوعة لتحسين توجيه النيوترونات وتحريرها.
ركزت المحاكاة على أشعة غاما الثانوية الناتجة عن تفاعلات النيوترونات مع المواد المحيطة، مثل الرصاص والبولي إيثيلين، بدلاً من نمذجة مصدر غاما رئيسي. تم تحليل طيف النيوترونات والفوتونات في غياب عينة لعزل تأثيرات هذه التفاعلات. تضمنت الافتراضات الرئيسية استخدام وقت إشعاع ثابت وهندسة مثالية لنظام PGAA لتبسيط الحسابات مع الحفاظ على الصلة الفيزيائية. تم استخدام عدد جسيمات قدره \(10^6\) لكل دفعة ومجموع 10 دفعات لضمان دقة النتائج، مع تقييم طاقات النيوترونات والفوتونات من \(10^{-9}\) إلى 20 ميغا إلكترون فولت عبر شبكة طاقة مكونة من 70 نقطة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة، التي استخدمت كود PHITS للمحاكاة، عن رؤى هامة حول توزيعات تدفق النيوترونات وأشعة غاما داخل نظام PGAA تحت تكوينات مختلفة. أظهرت المحاكاة، التي أجريت على معالج Intel Core i5 ثنائي النواة، أن تدفق النيوترونات يصل إلى أقصى حد عند مدخل الكوليماتور، حيث يصل إلى حوالي $10^{-3} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$، ويظل مركزًا على المحور المركزي. يقلل فلتر الياقوت، الموجود عند $z = 95 \, \text{cm}$، تدفق النيوترونات إلى حوالي $10^{-4} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$، مما يوضح دوره في قمع النيوترونات السريعة. بالمقابل، يظهر تدفق غاما توزيعًا أكثر انتشارًا، مع مناطق انبعاث ملحوظة بالقرب من مدخل الكوليماتور وفلتر الياقوت، مما يشير إلى إنتاج فوتونات ثانوية بسبب تفاعلات النيوترونات.
تظهر التحليلات الإضافية للتكوينات مع الغالق مفتوحًا ومغلقًا أن الغالق المفتوح يسمح بالنقل الكامل لكل من تدفق النيوترونات وأشعة غاما، مما يؤكد موثوقية النظام في وضع الإشعاع. تُظهر مقارنة مستويات التدفق عبر تكوينات مختلفة أن مواد مثل HDPE والياقوت فعالة في تعديل تدفق النيوترونات وتقليل الإشعاع الطفيلي. على وجه التحديد، كانت قيم التدفق المركزية لتكوينات الكوليماتور والغالق المغلق حوالي $10^{-4} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$ و$10^{-6} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$، على التوالي، بينما كانت قيم التدفق المحيط أقل بكثير، مما يشير إلى قدرة النظام على تعديل تدفق النيوترونات وفقًا لمتطلبات التجربة.
مناقشة
في قسم المناقشة، تسلط البحث الضوء على سلوك تدفق النيوترونات والفوتونات في نظام PGAA تحت تكوينات مختلفة، خاصة مع الغالق مفتوحًا ومغلقًا. يتم ملاحظة تدفق النيوترونات بشكل أساسي عند طاقات منخفضة، حيث تحافظ النيوترونات الحرارية (≤ 0.1 ميغا إلكترون فولت) على تدفق يبلغ حوالي $10^6 \, [1/\text{cm}^2/\text{MeV}/\text{source}]$ بغض النظر عن وضع الغالق. بالمقابل، تظهر النيوترونات السريعة (≥ 1 ميغا إلكترون فولت) تدفقًا يبلغ حوالي $10^{-3} \, [1/\text{cm}^2/\text{MeV}/\text{source}]$، مما يشير إلى تأثير ضئيل من الغالق على انتشارها. ومع ذلك، يزيد تدفق الفوتونات بشكل كبير حول $10^{-3}$ ميغا إلكترون فولت، حيث يصل إلى ذروته عند حوالي $5.9599 \times 10^{-2} \, [1/\text{cm}^2/\text{MeV}/\text{source}]$ عند $10^{-1}$ ميغا إلكترون فولت، قبل أن ينخفض عند الطاقات الأعلى.
تظهر النتائج فعالية مكونات نظام PGAA، وخاصة الكوليماتور الفولاذي والغالق، في تعديل نقل النيوترونات وضمان السلامة الإشعاعية. يقلل تكوين الغالق المغلق بشكل فعال من كل من تدفق النيوترونات الحرارية والسريعة، مما يؤكد دوره كمرشح للطاقة. على العكس، يسمح تكوين الغالق المفتوح بنقل مثالي للنيوترونات مع الحفاظ على جودة الشعاع. بشكل عام، تؤكد النتائج على تصميم ووظائف نظام PGAA، مما يبرز إمكانيته في تعزيز الدقة التجريبية والسلامة في التطبيقات النووية.
DOI: https://doi.org/10.3329/bjphy.v32i2.81761
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Jamila Yousfi et al.
Primary Topic: Nuclear Physics and Applications
Overview
This study utilizes the PHITS Monte Carlo code to simulate the neutron and photon flux distribution and their energy spectra within the Prompt Gamma Activation Analysis (PGAA) system of the Moroccan TRIGA Mark II reactor. Various configurations were examined, including the effects of a sapphire filter, closed shutter, and open shutter. The findings indicate that the sapphire filter effectively attenuates gamma rays, minimizing contamination in the PGAA detector. The closed shutter configuration successfully blocks both neutrons and photons, particularly fast neutrons, while the open shutter configuration facilitates the unobstructed passage of the neutron beam, enhancing the system’s performance.
In conclusion, the simulations affirm the efficacy of the materials employed, notably the Al₂O₃ sapphire filter, steel, and HDPE rings, in reducing parasitic radiation and optimizing neutron beam concentration at the PGAA system’s center. The closed shutter configuration significantly decreases neutron and photon flux, validating its role in blocking unwanted radiation. Conversely, the open shutter configuration increases particle flux, ensuring complete transmission of the neutron beam through the steel collimator. These results underscore the critical function of the beam shutter in modulating beam propagation to meet experimental needs, thereby enhancing radiation control and efficiency in PGAA applications. The study validates the PGAA system’s design and suggests avenues for optimizing future experiments.
Introduction
The introduction outlines the installation of a Prompt Gamma Activation Analysis (PGAA) system at the Moroccan TRIGA Mark II research reactor, facilitated by collaboration with the International Atomic Energy Agency (IAEA). This reactor, operating at 2 MW with low enriched uranium and graphite moderation, features a tangential NB1 channel designed to optimize thermal neutron extraction while minimizing fast neutron and gamma radiation exposure. The PGAA technique, known for its high sensitivity and accuracy, involves irradiating a target with neutrons, leading to the emission of prompt gamma radiation, which is subsequently detected using advanced detection systems such as scintillation or high-purity germanium (HPGe) detectors.
The article emphasizes the critical components of the PGAA setup, including a collimator, sapphire filter, beam shutter, supermirror neutron guide, and beam stop, all of which are essential for enhancing the technique’s performance. The focus of the research is on simulating the PGAA configuration to calculate neutron flux distribution and gamma photon spectra during interactions with target samples. The study aims to evaluate the effectiveness of the PGAA method in specific experimental settings and optimize its application for diverse nuclear analyses, utilizing the PHITS code based on the Monte Carlo method to analyze the effects of various configurations, particularly concerning the collimator and beam shutter settings.
Methods
In this study, Monte Carlo simulations were conducted using Version 3.34 of the PHITS code to analyze neutron and gamma-ray flux distributions and energy spectra within the Prompt Gamma Activation Analysis (PGAA) system, utilizing a neutron source spectrum from the Moroccan TRIGA MARK II reactor. The simulation encompassed a detailed model of the PGAA components, including a neutron collimator made of aluminum and carbon steel rings, a sapphire filter for neutron attenuation, and a beam shutter designed to minimize neutron leakage while maximizing gamma photon detection. The collimator’s geometry was meticulously defined, featuring various materials and dimensions to optimize neutron guidance and thermalization.
The simulations focused on secondary gamma rays produced by neutron interactions with surrounding materials, such as lead and polyethylene, rather than modeling a primary gamma source. The neutron and gamma spectra were analyzed in the absence of a sample to isolate the effects of these interactions. Key assumptions included using a fixed irradiation time and an idealized geometry for the PGAA system to streamline calculations while maintaining physical relevance. A particle count of \(10^6\) per batch and a total of 10 batches were employed to ensure result accuracy, with neutron and photon energies evaluated from \(10^{-9}\) to 20 MeV across a 70-point energy mesh.
Results
The results of the study, utilizing the PHITS code for simulation, reveal significant insights into the neutron and gamma ray flux distributions within the PGAA system under various configurations. The simulations, conducted on a dual-core Intel Core i5 processor, indicated that the neutron flux is maximized at the entrance of the collimator, reaching approximately $10^{-3} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$, and remains concentrated along the central axis. The sapphire filter, positioned at $z = 95 \, \text{cm}$, effectively reduces the neutron flux to around $10^{-4} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$, demonstrating its role in suppressing fast neutrons. In contrast, the gamma flux exhibits a more diffuse distribution, with notable emission zones near the collimator entrance and the sapphire filter, indicating secondary photon production due to neutron interactions.
Further analysis of the configurations with the shutter open and closed reveals that the open shutter allows for full transmission of both neutron and gamma flux, confirming the system’s reliability in irradiation mode. The comparison of flux levels across different configurations shows that materials like HDPE and sapphire are effective in moderating neutron flux and minimizing parasitic radiation. Specifically, the central flux values for the collimator and closed shutter configurations were approximately $10^{-4} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$ and $10^{-6} \, [1/\text{cm}^2/\text{source}]$, respectively, while peripheral flux values were significantly lower, indicating the system’s capability to adjust neutron flux according to experimental requirements.
Discussion
In the discussion section, the research highlights the neutron and photon flux behavior in the PGAA system under different configurations, specifically with the shutter open and closed. The neutron flux is predominantly observed at low energies, with thermal neutrons (≤ 0.1 MeV) maintaining a flux of approximately $10^6 \, [1/\text{cm}^2/\text{MeV}/\text{source}]$ regardless of the shutter’s position. In contrast, fast neutrons (≥ 1 MeV) exhibit a flux of about $10^{-3} \, [1/\text{cm}^2/\text{MeV}/\text{source}]$, indicating minimal impact from the shutter on their propagation. The photon flux, however, increases significantly around $10^{-3}$ MeV, peaking at approximately $5.9599 \times 10^{-2} \, [1/\text{cm}^2/\text{MeV}/\text{source}]$ at $10^{-1}$ MeV, before declining at higher energies.
The results demonstrate the effectiveness of the PGAA system’s components, particularly the steel collimator and the shutter, in modulating neutron transport and ensuring radiological safety. The closed shutter configuration effectively reduces both thermal and fast neutron flux, confirming its role as an energy filter. Conversely, the open shutter configuration allows for optimal neutron transmission while maintaining beam quality. Overall, the findings validate the design and functionality of the PGAA system, emphasizing its potential for enhancing experimental precision and safety in nuclear applications.