以水作为慢化体的多球中子谱仪模拟与解谱研究

中子能谱的测量是核辐射探测领域的一个重要研究课题,它在整个中子辐射防护检测中具有重要地位,与中子辐射剂量关系密切.多球中子谱仪是进行中子能谱测量的常见工具,具有非常多的优势,首先操作简单方便;其次功能强大,主要表现在测量范围上,相比较于其他类似设备来说要大许多;最后在灵敏性方面十分出色.本研究分别采用水和聚乙烯作为多球中子谱仪的慢化体,使用蒙特卡罗程序Geant4,计算了10~(-9)～10~(2 )MeV能量范围中60个能量点的响应函数,并分析比较;利用Gravel少道解谱算法,对不同中子场中的水慢化体多球中子谱仪测量数据进行解谱,数据显示水可以用作慢化体在设备中使用.该研究为水用作慢化体在设备中使用提供了理论和模拟研究基础.     

D-D中子源孔隙度测井的蒙特卡洛模拟

根据D-D反应中子的能谱和角分布数据,建立了D-D中子源模型.根据标准刻度井数据,建立了井模型.采用MCNP程序模拟了D-D中子在井中的输运,给出了热中子相对通量沿轴线的分布和孔隙度探测灵敏度随源距的变化,结果显示对D-D中子源,孔隙度测量零灵敏约在17 cm附近,探测器的适宜布置区间为25～60 cm.根据D-T反应中子和Am-Be中子源的能谱及角分布数据,建立了其中子源模型,通过MCNP模拟,研究了补偿法孔隙度测井时近远探测器中的热中子计数比值R及测量灵敏度S随孔隙度的变化,并与D-D中子源的模拟结果进行了比较,结果显示D-D源有更高的测量灵敏度和更高的中子利用率.     

长计数器的效率刻度及其应用

为了准确测定241Am-Be 中子源的强度,研制了一套长计数器测量系统,并利用四川大学2.5MV质子静电加速器产生的单能中子在多个中子能点对其探测效率进行刻度,在刻度过程中中子注量由金活化法确定,并采用挡锥法扣除大厅散射中子本底的贡献.结果表明我们研制的长计数器在所刻度的中子能区范围内具有很好的坪特性.用该长计数器测量系统测得241Am-Be 源的强度为7.188×105/s ,不确定度为3.5%.     

室内环境中子能谱及剂量率的多球谱仪测量

利用自主研发的多球中子谱仪对北京市某室内环境中子能谱及剂量率进行了测量。从中子能谱获得了能量低于20MeV的环境中子注量率为2.83×10~(-3)cm~(-2)·s~(-1),估算出环境中子总注量率为3.54×10~(-3)cm-2·s~(-1);利用中子注量与周围剂量当量转换系数计算出了能量低于20MeV中子周围剂量当量率为(1.5±0.1)nSv/h,总中子周围剂量当量率为(2.1±0.1)nSv/h,与中子剂量仪测量值(2.3±0.2)nSv/h基本一致。该文测量结果与相近纬度比较相差不多,可以为评估北京室内环境中子剂量提供参考。     

便携式α-β-γ谱仪设计

现有便携式谱仪无法同时对α-β-γ射线进行测量,使得相关人员对α-β-γ混合场景的评估与处理存在不便,因此研制了一套便携式α-β-γ谱仪以解决上述问题. 谱仪采用PIPS探测器和LaBr3(Ce)探测器分别对α-β粒子和γ射线进行测量,获取高分辨的能谱. 经测试,谱仪的α能量分辨率小于140 keV (5.486 MeV,0.1 atm),α表面发射率响应67.34% (241Am),β表面发射率响应19.13% (90Sr-90Y),γ能量分辨率小于3.4% (662 keV). 因此谱仪可同时测量α-β-γ射线并获取高分辨的能谱,有助于相关人员对测量现场做出快速准确的评估与处理.     

闪烁薄膜中子探测器灵敏度Monte Carlo计算

闪烁薄膜探测器的灵敏度和中子/γ分辨能力与闪烁晶体厚度密切相关,合理选择闪烁晶体厚度是探测器设计的关键。该文应用Monte Carlo方法模拟了中子和γ射线与闪烁晶体的相互作用过程,计算研究了晶体厚度对探测器灵敏度及中子/γ分辨能力的影响,给出了0.1~16.0MeV中子和γ射线照射下探测器的相对灵敏度,并结合部分能点的实验室标定数据,得到了探测器灵敏度能量响应曲线和中子/γ分辨率。理论计算的灵敏度能量响应曲线与实验标定趋势基本一致。     

GaN基带电粒子探测器能谱测量的改进研究

分析了GaN和Si两种不同探测器的电荷灵敏前置放大器增益,修正了GaN基带电粒子探测器能谱的放大倍数。利用~(241)Am和~(239)Pu两种α粒子源标定了能量与道指的关系,获得了能量刻度曲线方程。根据标定的曲线方程,测量了修正前后的GaN基pin探测器~(241)Am源的能谱。修正后的测量结果表明,当反向偏压为-10 V时,5.48 MeV的~(241)Am源在GaN基pin探测器里沉积的能量约为620 keV。     

中子受激辐射计算机断层扫描成像系统的MCNP模拟

本文对中子受激辐射计算机断层扫描成像(NSECT)系统进行了仿真计算,包括中子源的选择、准直屏蔽系统的设计、屏蔽墙和靶体的设置以及探测器的布置.采用MCNP程序模拟了D-T中子源产生的14MeV左右中子束在NSECT系统中轰击代替人体组织的圆柱体水体模的中子输运过程,记录并获得了元素特征γ射线和出射中子的通量分布及能谱图,该研究对中子成像平台的搭建有指导作用.从特征γ射线和出射中子的通量分布及能谱可知,在Z=0的平面上与中子束传播方向呈43.6°–50.9°的方向上布置高能γ探测器更利于得到可靠的成像数据,其中48.5°方向上可得到最佳的成像数据.从特征γ射线能谱找到了~(16)O对应的特征峰,特征峰能量与靶体元素的激发能完全一致,说明NSECT具备元素识别和确定元素浓度的能力,证明了NSECT被应用到癌症的早期或超早期诊断以及检查藏匿的炸药、毒品等领域的可能性.     

基于D-D/D-T中子源的中子受激辐射计算机断层扫描成像的比较研究

对比研究了D-D和D-T中子源在中子受激辐射计算机断层扫描成像(NSECT)中的应用,建立了TiT/TiD靶、水体模内放置/未放置铁球4种计算模型,并利用MCNP程序分别模拟了D-D,D-T中子源产生2.5和14 MeV左右中子束在该系统中的中子输运过程,记录并获得了出射中子和特征γ射线通量分布及能谱图,该研究对中子成像方面中子源的选择及平台的搭建有指导作用.从出射中子和特征γ射线通量分布发现,激发的特征γ射线会保持与入射中子束同样的前倾方向,为了得到尽可能多的特征γ射线,确定了在D-D和D-T两种中子源成像中,实验上应该在Z=0的平面上与中子束传播方向呈43.6°–50.9°范围内布置γ射线探测器.D-D和D-T两种中子源的NSECT高能γ探测器最佳的放置位置稍有不同,但都需要保持在43.6°–50.9°的范围内.从特征γ射线能谱发现,~(56)Fe和~(16)O对应的特征峰能量与模拟数据的激发能完全吻合,证明了NSECT技术识别元素的能力,很有可能在追踪治疗过程以及研究活体(包括人体)分子过程中崭露头角.     

2.8 MeV中子引起的~(232)Th(n,γ)~(233)Th反应截面的测量

用中子活化法和离线γ能谱测量技术对2.8MeV中子引起的~(232)Th(n,γ)~(233)Th反应截面进行了测量.2.8 MeV强流中子由D-D中子发生器获得,中子注量率的波动通过测量伴随~3He粒子得到;中子的平均能量通过~(64)Zn(n,p)~(64)Cu和~(115)In(n,n′)~(115m)In的反应截面比得到.γ能谱采用低本底高分辨率高纯锗伽马谱仪进行测量.实验结果与已发布的截面数据及评价核数据库ENDF/B-Ⅷ.b4、JENDL-4.0u+和CENDL-3.1的数据进行了比较.利用模型程序TALYS-1.8对~(232)Th的中子俘获反应激发函数曲线进行理论计算,并与实验数据和评价数据进行了对比分析.     

Elman神经网络在中子解谱中的应用

人工神经网络由于其优良的自我调节能力及学习能力,已经被广泛地应用在各领域的非线性分析中.在中国锦屏极深地下实验室(CJPL)中的低本底液闪中子探测器一直在记录着中子的本底数据,探测器输出的能谱实际上是核反冲能谱,与输入能谱可一一对应,并随着输入能谱的改变而发生改变;因此可以将探测器输出信号输入到训练过的神经网络中判断输入能谱.本论文采用的神经网络为Elman神经网络,训练神经网络采用的数据为Geant4模拟所得.将实验获取的核反冲能谱输入到训练过的神经网路进行反解,最后Elman网络反解出的Am-Be中子源能谱与真实谱误差在0.1%～11.8%,反解出的~(252)Cf中子源能谱与真实谱误差在0.1%～8.9%.     

相对永久密封真空康普顿探测器伽马灵敏度研究

针对强流脉冲γ射线探测,研制了厚入射窗结构真空康普顿探测器,并在60Co辐照装置上,准直孔径为40 mm的条件下,对2套样品探测器灵敏度进行了测量,得到了1.25 MeV的γ射线灵敏度,实验值分别为4.65×10-22 C/MeV和4.59×10-22 C/MeV.该实验值与蒙特卡罗程序MCNP的计算值(4.70×10-22 C/MeV)相比,误差范围一致,在0.5～3.0 MeV能量区间,探测灵敏度的能量响应变化小于20%.实验证明:该探测器比薄窗结构真空康普顿探测器的灵敏度提高了60%,克服了薄窗探测器封装加工和静态真空保持的困难;保存使用期可达2年以上,达到了相对永久密封的目的,可应用于粒子注量率为1020 cm-2·s-1以上的强流脉冲γ射线测量.     

脉冲中子-裂变中子探测铀黄饼的MCNP模拟

利用MCNP程序模拟研究脉冲中子-裂变中子探测铀黄饼,采用脉冲式中子源,利用氦三管中子探测器记录裂变中子,得到铀黄饼中的铀含量信息。通过对14 MeV脉冲中子源和产生的裂变中子在不同铀含量模型中的输运计算,分析了裂变中子与铀含量的关系。结果表明:利用裂变超热中子衰减时间谱,可以确定铀黄饼中的铀含量;通过对热中子衰减时间谱进行校正,可以提高铀黄饼中铀含量计算结果的准确度。     

14.6MeV中子的^56Fe（n,p）^56Mn反应截面

本文评价了14.6MeV 中子的~(56)Fe(n,p)~(56)Mn 反应截面,评价值为(109.6±0.6)×10~(-27)cm~2。又报告了利用我校400kV 高压倍加器 D-T 中子源的测量工作。中子通量密度是用~(27)Al(n,p)~(27)Mg 和~(63)Cu(n,2n)~(62)Cu 反应截面进行刻度的.~(56)Mn 的γ放射性是利用 NaI谱仪和高纯锗多道谱仪进行测量的。经修正后的测量结果为(110.7±1.9)×10~(-27)cm~2,在误差围内与评价值相符。     

高集成度自动化γ能谱仪

针对核反应堆安全壳内γ射线在线监测需求,本文设计了一款高集成度、低功耗、高分辨、长续航、可自动测量的γ能谱仪.谱仪选用了高分辨率LaBr_3(Ce)闪烁体探测器,并且设计了有源锥形分压电路为探测器供电,从而提高谱仪的能量响应动态范围.同时设计了低噪声电荷灵敏前置放大器电路对探测器输出信号进行放大,并匹配设计二阶有源低通滤波电路,将前端信号成形为准高斯脉冲信号.采用STM32L4系列微处理器设计了高集成度的多道脉冲幅度分析电路,完成脉冲信号的模数转换和在线数据处理,获得γ能谱.另外,本文还基于CC228P-09Y小型高压电源模块设计了低噪声高压电源电路为LaBr_3(Ce)探测器提供高压;利用STM32L4处理器设计了锂电池供电的电源管理电路,使得谱仪可以实现自动开启工作模式或进入待机模式,从而实现长续航时间自动γ能谱测量功能.对谱仪进行性能测试得到:谱仪能量分辨率为3.0%(@662 keV),且能量响应积分非线性为9.5%,能够长期稳定工作,具有低功耗长续航时间等特点.     

T(d,n)~4He反应的中子能谱的测量和模拟计算

本文描述用飞行时间谱仪对T(d,n)~4He反应的α关联中子能谱和角分布的测量,以及介绍对这些中子能谱的蒙特卡罗模拟。在计算中考虑了氘在氚-钛靶的多次散射。对发射中子谱自寺和关联中子平均能量的计算结果分别与Pavlik等人的计算结果和我们的实验结果很好地符合。     

蒙特卡罗方法在中子测井屏蔽中的应用

利用蒙卡罗方法模拟研究了在套管中子测井条件下，铜、银、含硼聚乙烯（含10％B4C聚乙烯）、钨、镉、铝不同厚度对中子的屏蔽效果．以及中子源到屏蔽层距离对屏蔽效果的影响。结果表明：用不同屏蔽材料对中子进行屏蔽，得到的中子能量分布相差很大。相同厚度下，银做屏蔽材料时．总中子和小于0．1MeV能量范围内的中予计数最小，钨在14MeV～0．1MeV中子能量区的计数最小.     

基于X射线和伽马源的密度测井数值模拟

通过XCOM程序计算和分析不同介质发生光电效应和康普顿散射的衰减系数随射线能量的变化规律,并利用蒙特卡罗模拟方法研究基于X射线和~(137)Cs伽马源的地层散射能谱以及密度测井响应和精度。结果表明,由于所采用的X射线能量比0.662 MeV的伽马射线低,对于同种地层介质,X射线衰减快,密度越大,差异越明显;在源距相同的条件下,较低能量的X射线源地层密度响应灵敏度比~(137)Cs伽马源的高,但受岩性影响更大;在考虑源强的情况下,当X射线源对应源距为33 cm、伽马源对应源距为38 cm时,X射线源的计数统计性与伽马源的计数统计性相当,X射线源的密度响应灵敏度比伽马源的高,且X射线源的密度测量不确定度小,测量精度高,而伽马源的密度测量不确定度大,测量精度低。X射线源可以替代~(137)Cs伽马源进行密度测井,但在仪器设计、能谱处理和密度计算等方面还需要进行深入研究。     

由光二极管读出的CsI(Tl)闪烁探测器对高能轻荷电粒子的能量响应

利用50MeV/u ~(12)C束轰击Au靶产生的高能P,d,t,~3He和α粒子研究了由光二极管读出的CsI(T1)闪烁探测器的能量响应。实验结果表明:对于~3He和α粒子,在能量小于100MeV区域,该探测器具有近似线性的能量响应,对于P,非线性能量响应最为严重。仅在低于10MeV能区,还具有线性的能量响应,随着粒子能量增高,非线性愈加严重。对于d和t,探测器有与P相类似的能量响应,只是近似线性的能区扩展至稍为更高的能量。     

CsI(Tl)对高能质子能量响应的蒙特卡罗研究

在放射性核束物理的实验研究中,需要对核反应产物进行测量和鉴别,以获取反应过程中的重要信息.使用GEANT4软件对CsI(Tl)闪烁体探测器对高能质子的能量响应进行了蒙特卡罗模拟,以确定这种探测器用于探测能量范围10HeV-150MeV质子的能量响应.通过对晶体外表面包覆材料反射率、耦合光敏二极管面积、质子射程等条件的模拟和分析,找到了提高CsI(Tl)闪烁体探测器性能的方法.