中子通量及能谱测量中关键技术研究

摘要

当前，中子探测已经广泛应用于军事、测井、违禁品检测、环境辐射检测、医学以及空间粒子环境探测等领域，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。然而，无论是在核物理中子实验中，还是在工业、生命科学、材料科学、环境科学、空间科学等众多领域的中子探测时，始终存在着制约中子通量及能谱测量的几大因素——中子-γ射线的甄别、强辐射环境下的中子信号脉冲堆积、中子能谱测量的精度不高且求解结果不稳定。由此引出了本文研究的基本问题——如何提高中子通量及能谱测量的精度与效率？围绕这一问题，论文重点研究了如下关键技术问题：
　　1．中子-γ射线的甄别问题。由于中子与周围环境的非弹性散射等原因，导致存在中子的场合几乎都伴随着大量的γ射线本底，而常用的中子探测器材料如液体闪烁体对γ射线也是灵敏的，因此中子-γ射线甄别就成为中子通量及能谱测量中的一个关键问题。现有的关于提高中子-γ射线甄别精度的研究主要集中在改进中子-γ射线甄别方法以及探索新型中子探测器材料这两方面，均未考虑中子探测器中将微弱的光信号转化为电信号的关键器件——光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT）这一影响因素。因此，本文对中子-γ射线甄别问题的研究侧重点在于PMT的性能参数对中子-γ射线甄别精度的影响，为基于液体闪烁体探测器构建的中子探测系统甄选PMT、提高中子-γ射线甄别精度提供参考依据。
　　2．强辐射环境下的脉冲堆积问题。在强辐射环境中，中子的计数率很高，探测器输出的相邻脉冲时常会出现部分甚至全部重合的情况，称为脉冲堆积。脉冲堆积会导致脉冲波形以及中子能谱的失真，并降低中子探测的效率。因此，在强辐射环境下如何处理脉冲堆积信号是中子通量及能谱测量中的一个关键问题。传统的解决脉冲堆积问题的方法是采用堆积拒绝电路或双指数拟合法。前者直接摒弃堆积的脉冲，限制了系统的脉冲通过率，同时增加了系统死时间。后者可还原部分的原始信号脉冲，但计算量大，且不易收敛到最优值。因此，本文对脉冲堆积问题的研究主要是在高计数率条件下准确自主地判别脉冲堆积信号，并最大限度地还原失真的脉冲波形以及中子能谱，降低脉冲堆积引起的能量分辨率损失，同时提高中子的探测效率。
　　3．中子能谱的测量问题。由于中子探测器测量得到的微分脉冲幅度谱是探测器固有响应函数与入射中子能谱的第一类Fredholm积分，因此中子能谱测量实际上转化为利用中子的脉冲幅度谱和探测器固有响应函数求解一个高维病态线性方程组问题（方程式和未知数的个数多达几十或上百个）。此类方程组求解难度大，结果不稳定且可能出现负值，导致其不符合中子能谱的实际物理意义。因此，如何准确地求解中子能谱是中子探测中的又一关键问题。常规的中子解谱方法如截断奇异值分解法、正则化法等存在求解精度较低、易陷入局部最优解、结果不稳定等缺点。因此，本文对中子能谱测量问题的研究主要是利用软件计算探测器固有响应函数，并通过实验和信号处理获取中子的脉冲幅度谱，最后基于新型的中子解谱方法准确地反演中子能谱。
　　针对上述关键技术问题，论文在国内外首次评估了PMT对中子-γ射线甄别性能的影响，提出了一种基于液体闪烁体BC501A和PMT优化配置的中子-γ射线甄别测量方法，提出了一种脉冲堆积的自主识别与校正方法，提出了一种基于粒子群算法的中子解谱方法。这些技术方法及其结论为上述关键技术问题提供了相应的解决方案，均通过理论分析和仿真验证了其有效性，并通过物理实验验证了其技术可行性。由此，论文初步构建了一套独具特色的中子探测信号处理方法，对促进中子探测技术的应用和发展具有积极的意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 论文研究的关键技术问题

1.3 关键技术问题的研究现状

1.4 论文主要研究内容

第二章 中子-γ射线甄别研究

2.1 中子通量测量

2.2 PMT性能参数测试实验

2.3 基线漂移的消除

2.4 探测器时间特性分析

2.5 光电子产额测量

2.6 能量线性刻度

2.7 中子-γ射线甄别

2.8 本章小结

第三章 脉冲堆积的判别与校正研究

3.1 脉冲堆积现象及特征

3.2 脉冲堆积实验

3.2 脉冲堆积的判别

3.4 脉冲堆积的校正

3.5 高计数率实验测试与验证

3.6 有效性分析

3.7 本章小结

第四章 中子能谱的测量研究

4.1 中子能谱及其测量原理

4.2 中子解谱问题分析

4.3 中子解谱方法研究

4.4 液体闪烁体探测器响应函数获取

4.5 中子解谱仿真

4.6 中子解谱实验

4.7 有效性分析比较

4.8 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 论文研究总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果