基于LINAC的SNM 检测技术研究 黄伟奇 清华大学工程物理系.

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1 基于LINAC的SNM 检测技术研究 黄伟奇 清华大学工程物理系

2 主 要 内 容 一、引言 二、基本原理与方案 三、理论与模拟计算 四、实验与结果 五、讨论与小结

3 SNM：Special Nuclear Material
一、引言 1、特殊核材料（SNM）简介 美国1954年原子能法案提出特殊核材料的概念，包括233U、235U和239Pu ，又分为： 战略特殊核材料(SSNM) 中等战略重要性特殊核材料 低等战略重要性特殊核材料 SNM：Special Nuclear Material

4 一、引言 1、特殊核材料（SNM）简介

5 一、引言 2、 SNM的主要特性 一般特性 高Z物质 高密度 可产生一定的热量 具有多种同位素

6 一、引言 2、 SNM的主要特性 自发衰变：无需外界条件，自然产生的衰变 自发衰变特性
式为α、β和自发裂变， 伴随着这些衰变过程 会释放出大量不同能 量的γ射线和中子。 自发衰变：无需外界条件，自然产生的衰变

7 一、引言 富集度为93%高浓铀的γ能谱

8 一、引言 2Kg富集度为93%球状Pu的γ能谱

9 一、引言 2、 SNM的主要特性 自发裂变特性

10 一、引言 2、 SNM的主要特性 诱发裂变特性 特殊核材料在中子和光子诱发下会产 生裂变，并释放出中子和γ等裂变特征信号。

11 一、引言 每次诱发裂变产中子、光子数

12 一、引言 3、 SNM的检测方法 被动检测方法 测量对象 一般要求 — 测量SNM的天然放射性，包括自发裂变之后的中子和γ射线
— 具有一定的放射强度 — 具备一定的能量 不同能量的γ射线穿透能力不同

13 一、引言 3、 SNM的检测方法 被动检测方法 优点 — 利用自身衰变特性，无需外部源 — 无需考虑防护问题 — 费用相对较低 缺点
— 利用自身衰变特性，无需外部源 — 无需考虑防护问题 — 费用相对较低 缺点 — 计数率低，测量时间较长 — 易被屏蔽 — 难以测量乏燃料

14 一、引言 3、 SNM的检测方法 主动检测方法 测量原理 — 使用外部的致电离辐射轰击样品并探测其放射性产物 — 一般为 脉冲式，如脉
— 使用外部的致电离辐射轰击样品并探测其放射性产物 — 一般为 脉冲式，如脉 冲中子诱发裂 变

15 一、引言 3、 SNM的检测方法 主动检测方法 探测模式

16 一、引言 3、 SNM的检测方法 主动检测方法 优点 缺点 — 被检测射线信号更强，提高了灵敏度，降低了误报率 — 缩短了测量时间
— 被检测射线信号更强，提高了灵敏度，降低了误报率 — 缩短了测量时间 缺点 — 费用高，占地大 — 不便防护

17 二、基本原理与方案 1、 基本原理 PCANI应用原理 PCANI NC∝Z NPP∝Z2 Npp/NC∝Z
Pair production and Compton Atomic Number Identification PCANI应用原理 NC∝Z NPP∝Z2 Npp/NC∝Z

18 二、基本原理与方案 1、 基本原理 PCANI应用原理

19 二、基本原理与方案 1、 基本原理 PCANI应用原理 入射光子及相应的135°反散射光子的能量（MeV） 入射光子能量 0.5 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 反散射光子能量 0.1872 0.2304 0.2495 0.2604 0.2673 0.2722 0.2758 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 0.2785 0.2807 0.2824 0.2839 0.2851 0.2862 0.2871

20 二、基本原理与方案 1、 基本原理 ~ ~ NRF应用原理 Incident Photons E Natural width:
~ 100 meV Doppler broadened width: ~ 12 eV (N), ~ 3 eV (U) Incident Photons ~ ~ Resonant Photon E

21 二、基本原理与方案 1、 基本原理 NRF应用原理

22 二、基本原理与方案 1、 基本原理 NRF应用原理

23 二、基本原理与方案 2、 基本实验方案

24 三、理论与模拟计算 1、 理论计算

25 每个2MeV光子产生的湮没光子、康普顿散射光子概率及峰康比值
三、理论与模拟计算 1、 理论计算 每个2MeV光子产生的湮没光子、康普顿散射光子概率及峰康比值 材料类型 Be Al Fe Cu Ag Z 4 13 26 29 47 NPP/Ni(*10-3) 0.0012 0.0064 0.0335 0.0414 0.0793 NC/Ni (*10-4) 0.2664 0.1271 0.1609 0.1581 0.1059 NPP/NC 0.0469 0.5011 2.0820 2.6177 7.4910 Ba W Pb U Pu 56 74 82 92 94 0.0358 0.2072 0.1605 0.2613 0.2754 0.0320 0.0954 0.0576 0.0703 0.0702

26 三、理论与模拟计算 2、 模拟计算 蒙卡模拟模型图

27 三、理论与模拟计算 2、 模拟计算 轫致辐射X射线能谱

28 三、理论与模拟计算 2、 模拟计算 探测器处不同材料对应的背散射能谱

29 三、理论与模拟计算 2、 模拟计算 模拟获得的511峰与康普顿比值与Z的关系曲线 （被测物为长方体）

30 三、理论与模拟计算 2、 模拟计算 模拟获得的511峰与康普顿比值与Z的关系曲线 （被测物为正方体）

31 四、实验与结果 实验配置图

32 四、实验与结果 加速器脉冲 同步信号 远程控制 计算机 电磁屏蔽 探测器系统示意图

33 四、实验与结果 实验装置 实验样品 加速器一台； 溴化镧探测器一个； 低压电源一个； 高压电源一个； 计算机一台； 铅砖若干； Be砖一块；
Al柱一个； 聚乙烯一块； 石墨一块； Ti砖一块； 钢块一个； 铜板一块； 碘颗粒一袋； Gd砖一块； W砖一块； 33

34 四、实验与结果 实验结果

35 五、讨论与小结 理论与模拟计算表明PCANI方法可用于物质原子序数的识别，初步实验与分析结果对此进行了验证；
PCANI方法对高Z物质更为敏感，有利于SNM的探测； PCANI与NRF方法的结合有利于SNM的发现与识别； 在自吸收修正、屏蔽设计、能谱分析等方面还有大量的工作要做。

36 End Thank you!