第十九届全国核电子学与核探测技术学术年会

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1 第十九届全国核电子学与核探测技术学术年会
单球中子谱仪模拟及初步实验研究 邹益晟 张伟华 王志强 中国原子能科学研究院 计量测试部 第十九届全国核电子学与核探测技术学术年会

2 目录 5 4 3 2 1 引言 单球中子谱仪结构及电子学系统设计 能量响应校准 241Am-Be能谱测量实验 总结

3 多球中子谱仪 单球中子谱仪 多个不同直径慢化球 热中子探测器置于各球中心 操作步骤繁琐、测量时间长 单慢化球 多个热中子探测器沿球心对称布置
单球中子谱仪由多球中子谱仪改进而成，多球中子谱仪是国际上广泛使用的中子能谱测量装置。多球中子谱仪由不同直径的聚乙烯慢化球及置于慢化球中心的热中子探测器组成。测量时根据不同直径慢化球内热中子探测器的计数以及谱仪的能量响应函数，使用计算机解谱算法得到中子能谱。单球中子谱仪采用单慢化球多探测器的结构，通过单慢化球中各探测器对热中子的测量，实现类似多球中子谱仪的测量效果。相对于多球中子谱仪，单球中子谱仪具有结构紧凑，操作简便的优点，可用于狭小空间内的中子能谱测量以及中子剂量当量的连续在线监测。 单球中子谱仪 单慢化球 多个热中子探测器沿球心对称布置 设备结构紧凑，操作简便

4 可甄别中子与带电粒子、γ光子 单球中子谱仪 被动式单球中子谱仪 活化片单球中子谱仪 TLD单球中子谱仪 主动式单球中子谱仪
硅二极管单球中子谱仪 位置灵敏正比计数器单球谱仪 6Li-7Li闪烁体对单球中子谱仪 可甄别中子与带电粒子、γ光子 依据单慢化球内主探测器的不同，可将单球中子能谱仪分为两类：一类在单聚乙烯慢化球内布置被动式探测器例如活化片、热释光剂量计等，另外一类是慢化球内放置主动式探测器例如3He正比计数器、二极管、6Li-7Li闪烁体对等。由于6Li-7Li闪烁体对单球谱仪不仅能像常用的位置灵敏正比计数器单球谱仪那样实现n-γ混合辐射场内的中子测量,更能实现中子与带电粒子甄别,其用途更广,可实现空间辐射场的中子能谱测量

5 目录 5 4 3 2 1 引言 单球中子谱仪结构及电子学系统设计 能量响应校准 241Am-Be能谱测量实验 总结

6 (1)结构设计 针对热能至20MeV混合辐射场中子 位置灵敏 中子甄别
慢化球内三维均匀布置19对玻璃闪烁体，形成位置灵敏探测器，将球分成4个壳层，类似多球谱仪的4个慢化球。 中子甄别 6Li-7Li玻璃闪烁体对，依据6Li对多粒子均灵敏包括热中子，而7Li对热中子不灵敏的特点，设计合适的数据获取系统即可得到中子信号。 设计的单球中子谱仪通过位置灵敏和中子甄别的方式,实现热能至20MeV混合辐射场内中子的测量

7 (2)单球中子谱仪基本结构 首先介绍一下单球中子谱仪的结构，在直径为30cm的聚乙烯慢化球的球心及X、Y、Z轴±4.5、±9、±14cm的位置处打通孔，从通孔两端分别插入6Li及7Li闪烁体探测器，共计19对,对其编号i=1~19。 单球中子谱仪 聚乙烯慢化球直径为30cm,在球心及X、Y、Z各轴±4.5、±9、±14cm位置处打通孔，从各通孔两端分别插入6Li及7Li闪烁体探测器，共计19对6Li-7Li闪烁体探测器，对其编号i=1~19。

8 (3)探测器结构 封装外壳 闪烁体与光导封装 光电倍增管 封装完成后的探测器 封装完成后的探测器(剖面示意图)
闪烁体、光导、PMT及封装外壳 光电倍增管 闪烁体与光导封装 封装外壳 所用各探测器的结构如图所示，6Li（或7Li）闪烁体位于探测器的前端，闪烁体发出的闪烁光通过光导传输至光电倍增管光阴极，打出光电子，光电子倍增后通过阳极输出电脉冲信号，光导与PMT结合处使用硅油进行粘结，闪烁体、光导及光电倍增管外包裹有铝反射层以减少闪烁光散射，铝反射层外还包裹有热塑遮光层，屏蔽外界光。从封装外壳尾部引出光电倍增管的输出接口及高压供电接口。 封装完成后的探测器(剖面示意图) 6Li(或7Li)闪烁体 光电倍增管 光导 封装外壳 高压供电及输出接口 铝反射层 热塑遮光层

9 (4)单球中子谱仪能谱测量原理 6Li闪烁体:对热中子有响应 7Li闪烁体:基本无热中子响应,其他响应与6Li相同
𝑐 𝑖,6 − 𝑐 𝑖,7 = 𝑐 𝑖 i位置处热中子计数率ci 由于6Li闪烁体对热中子及其他射线均有响应，7Li闪烁体与6Li闪烁体其他响应基本一致,基本无热中子响应,因此将同一位置上的6Li闪烁体的计数率减去7Li闪烁体的计数率即可得到该位置的热中子计数率,依靠蒙卡模拟及校准实验得到的各位置热中子响应函数,对球内19个位置的测量结果进行少道解谱计算,最终得到满足该方程组的最优解. c 𝑖 =∫ 𝑅 𝑖 𝐸 φ E dE i=1,2,……19 根据蒙卡模拟及校准实验获得的能量响应函数 𝑅 𝑖 𝐸 利用计算机进行少道解谱计算,求得满足所有方程（ i=1~19 ）的最优解φ E

10 (5)单球中子谱仪电子学系统 Q0 Qa Qb 分段式电荷分配网络示意图
为简化电子学设计，利用电荷分配法，采用3组电荷分配网络对38个探测器的脉冲信号数量进行记录。 为简化电子学设计，利用电荷分配法，采用3组电荷分配网络对38个探测器的脉冲信号进行计数。J1~J13与光电倍增管的输出端相连接，设某个接收端x所产生的脉冲信号的电荷量为Q0，由于电阻串的存在，电路两端P1，P2所接电荷灵敏前放所收集到的电荷Qa，Qb将按上述公式的比例进行分配，随后转化为脉冲幅度信号，经模数转换后被多参数获取系统符合收集，多参数获取系统将根据以上公式对符号信号进行处理，确定该脉冲信号的产生位置，并对电荷分配网络上各位置（即各探测器）所产生的脉冲数量进行记录。 𝑖=1 𝑥 𝑅 𝑖 𝑅 = 𝑄 𝑎 𝑄 𝑎 + 𝑄 𝑏

11 (5)单球中子谱仪电子学系统 各位置信号区分明显 可获取各探测器计数 电荷分配网络测试结果
以下是电荷分配网络的测试结果,峰的峰面积代表着探测器的脉冲计数。可以看出,在实际测量中，该电子学系统确实能将各位置信号明显的区分开来，得到各个探测器的计数， 电荷分配网络测试结果

12 目录 5 4 3 2 1 引言 单球中子谱仪结构及电子学系统设计 能量响应校准 241Am-Be能谱测量实验 总结

13 (1)能量响应刻度实验 参考辐射场相关信息 能量响应校准实验现场 中子能量(MeV) 参考注量率测量方法 散射本底扣除方法 0.144
含氢正比计数器 影锥法 0.25 0.565 1.2 2.5 半导体望远镜 14.8 伴随α粒子 为获得单球中子谱仪的能量响应函数，在原子能院计量测试部的5SDH-2串列加速器所提供的单能中子参考辐射场中进行了能量响应的校准实验。共测量了0.144MeV、0.25MeV、0.565MeV、1.2MeV、2.5MeV、14.8MeV 6个能量点，房间的散射本底通过影锥法进行扣除。 能量响应校准实验现场

14 (2)能量响应计算方法 利用下列公式计算能量为En的单能中子入射时i位置处的响应 𝑅 𝑖 𝐸 𝑛 :
𝑅 𝑖 𝐸 𝑛 = 𝑅 𝑖,6 𝐸 𝑛 − 𝑅 𝑖,7 𝐸 𝑛 𝑅 𝑖,6 𝐸 𝑛 = 𝑐 𝑖,6 𝜑( 𝐸 𝑛 ) 𝑅 𝑖,7 𝐸 𝑛 = 𝑐 𝑖,7 𝜑( 𝐸 𝑛 ) 𝑐 𝑖,6 𝐸 𝑛 i位置6Li探测器的计数率 𝑐 𝑖,7 𝐸 𝑛 i位置7Li探测器的计数率 𝜑( 𝐸 𝑛 ) 未放置谱仪时，参考辐射场中球心位置的单能中子参考注量率 根据以下公式计算谱仪的能量响应， 𝑅 𝑖 𝐸 𝑛 是指入射中子能量为En时，i位置的能量响应，其等于该位置Li-6与Li-7探测器响应之差，而Li-6及Li-7探测器的响应则由该探测器的计数率除以参考辐射场中球心位置的参考注量率得到。

15 (3)蒙特卡洛模拟 使用MCNP5进行模拟，聚乙烯球直径Φ30cm，19对6Li-7Li玻璃闪烁体，每个闪烁体尺寸φ10mm×2mm。每对锂玻璃布置在正交的X、Y、Z轴三个方向。 点源设置于y轴正向,在谱仪所在的方位角范围内均匀发射。 使用F6卡记录各探测器能量沉积 。 材料参数 材料 元素组成及原子含量 密度(g/cm3) 6Li玻璃闪烁体 6Li:7Li:O:Al:Mg:Si : :0.546:0.062:0.017:0.167 2.44 7Li玻璃闪烁体 7Li:O:Al:Mg:Si 0.208:0.546:0.062:0.017:0.167 丙烯酸光导 H:C:N 0.426:0.426:0.148 1.06 聚乙烯慢化球 C:H 0.333:0.667 0.98 铝反射层 Al 1 2.7

16 将模拟结果对总沉积能量归一，同样将测量结果对所有位置测量的响应之和归一,这样处理后可以得到各位置的相对响应，将两者进行比较，可以看出模拟与测量结果接近。这也说明了，在进行相应计算后，可将模拟计算的结果用于构建单球中子谱仪的响应函数。

17 目录 5 4 3 2 1 引言 单球中子谱仪结构及电子学系统设计 能量响应校准 241Am-Be能谱测量实验 总结

18 实验现场 UMG程序 最大熵解谱算法 测量结果
校准后，使用谱仪对Am-Be源进行测量，室散射本底同样通过影锥法进行扣除,并对该测量进行了MCNP模拟。使用UMG解谱程序包中的最大熵解谱算法对测量以及模拟的数据进行解谱计算,解谱结果还比较理想 测量结果

19 目录 5 4 3 2 1 引言 单球中子谱仪结构及电子学系统设计 能量响应校准 241Am-Be能谱测量实验 总结

20 单球中子谱仪通过分段式电荷分配网络实现了脉冲信号的位置甄别,在单慢化球中复现了多球中子谱仪的功能
（1）小结 单球中子谱仪通过分段式电荷分配网络实现了脉冲信号的位置甄别,在单慢化球中复现了多球中子谱仪的功能 利用MCNP模拟了单球中子谱仪能量响应函数，并通过修正，将模拟结果用于实际测量 单球中子谱仪设备体积小，操作便捷，并能得到较为准确的中子能谱，满足辐射防护测量要求 （2）展望 电子学系统的集成化、设备的便携化 细化蒙卡模拟结果 测量谱仪角响应及不同中子源的能谱 之后将开展以下工作 现在用的后端电子学设备还是台式的ADC和采集系统,，希望对其进行小型化，现在蒙卡模拟仅模拟到能量沉积，未考虑闪烁体发光效率等因素的影响，这将对修正响应函数造成影响，需要进行更进一步的模拟 还需要对谱仪的角响应和其他的中子源的能谱进行测量,考察谱仪的性能参数

21 感谢聆听,敬请指正 谢谢!