一种用于快中子通量测量的新方法研究

摘要

近年来，随着中子在材料、生物以及核物理等学科上得到广泛应用，人们对中子的关注越来越多，因此中子探测也成为一个研究热点。常用的中子探测器如3He正比管、闪烁体探测器等，但3He气体短缺，价格昂贵，闪烁体探测器对伽马射线比较灵敏，测量中子时伽马射线会造成很大的干扰。因此，研究新型探测器或新方法实现对中子通量测量具有十分重要的意义。 本文基于中子与物质相互作用的原理，提出一种用于快中子通量测量的新方法，称为中子致X射线荧光方法。该方法利用快中子与转换屏发生核反冲产生反冲质子，反冲质子激发特征靶产生X射线荧光，根据X射线荧光数与入射中子数的函数关系，通过探测X射线荧光数反推出中子通量。为验证该方法的可行性，本文通过蒙特卡罗方法对测量结构进行模拟设计与优化，并结合实验验证，主要研究内容如下： （1）基于中子致X射线荧光方法的原理，设计了测量快中子通量的模型结构。沿中子入射方向，测量结构由屏蔽层、转换屏和特征靶叠加组成，其中屏蔽层用于屏蔽低能光子的干扰。针对单方向入射的14MeV的中子和0-10MeV指数分布的光子，使用Geant4软件对测量结构进行优化，模拟结果表明：较合适的转换屏、特征靶、屏蔽层的材料及其厚度分别为1mm厚的聚乙烯板、30μm厚的钛箔、5mm厚的铅板；中子束与聚乙烯板夹角为5°，X射线探测器放置在距中子入射点7cm处能提高X射线的探测效率。模拟得到入射中子数与X射线荧光数呈良好的线性关系。该方法还适用于其它中子源的通量测量，且中子致X射线荧光的效率随着入射中子的能量增大而增大。 （2）使用D-T中子发生器，利用实验结合模拟的方法开展了该方法可行性的验证工作。由模拟得到该情况下聚乙烯和钛箔的最佳厚度分别为3mm和50μm；探测器最佳位置在中子源正上方。实验结合理论计算表明，1mm的铅板能够屏蔽D-T中子发生器伴生的低能伽马射线，减少其对结果的干扰。使用硅漂移探测器测量钛箔表面的X荧光能谱，采用小波分析方法扣除能谱中的背景信号。保持D-T中子发生器通量不变，通过改变探测时间获得不同中子数，得到中子数与X射线荧光数呈良好的线性关系；通过改变中子发生器高压而改变中子通量，同时使用3He正比管作中子通量监测，得到X射线荧光数的变化趋势与3He正比管计数的变化趋势有着良好的一致性，证明该方法在测量快中子通量具有可行性。 本文提出了基于中子致X射线荧光的中子通量测量新方法，并通过模拟和实验对该方法的可行性进行了研究，结果表明该方法可用于快中子通量的测量。

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