基于PIPS的6LiF夹心中子谱仪的研究

摘要

在核反应堆中，中子对核能的释放起着关键作用，中子能谱是非常重要的特征参数，在评价和检验核参数方面都有着重要意义。因此，中子能谱的测量是反应堆监控中最重要的内容之一。快中子临界装置属于实验反应堆的一种，用于开展临界实验。
　　目前常用于快中子能谱测量的方法主要有飞行时间法、活化法、氢反冲法及核反应法，其中飞行时间法的测量能区广、精度高，但设备庞大且不适用于临界装置这种不能确定中子起始时间的应用场景;活化法操作简单且对仪器设备要求不高，但所得中子能谱精度不高;氢反冲法通常使用3He球形正比管结合液体闪烁体，设计及操作都较为复杂;核反应法通常利用6Li(n，α)反应制成6LiF夹心中子能谱仪，其体积小、测量范围大且结构相对简单，测量的准确性决定于所使用的探测器。目前最常于夹心中子谱仪的探测器有常规Si/Ge半导体探测器、金硅面垒型探测器和4H-SiC探测器，其中常规Si/Ge半导体探测器抗辐射性能差且受温度变化影响大、金硅面垒型探测器对α粒子分辨率较差、4H-SiC探测器无法对4MeV以上的中子进行能谱测量，使用这些探测器都难以在快中子临界装置的环境下达到其最佳测量效果。
　　针对上述现状，本文首次提出了一种基于PIPS探测器（Passivated Implanted Planar Silicon detector，钝化离子注入平面硅半导体探测器）的6LiF夹心中子能谱仪的研制方案，以解决快中子临界装置中子能谱的测量问题。PIPS探测器具有耐辐照、耐高温、漏电流小、α粒子能量分辨率好、入射窗稳固且不需要准直等优点，非常适用于快中子临界装置的测量环境。
　　本文所研究的6LiF夹心中子能谱仪的探头由两个面对面放置的PIPS探测器构成，其间夹有一层6LiF中子转换层，对其进行可行性研究，分析其工作原理，通过理论模拟分析转换层厚度对探测效率及能量分辨率的影响规律，并阐述了探测器的对称挑选原则。谱仪利用符合测量原理，对6Li(n，α)反应生成的次级带电粒子——α粒子和T粒子所产生的探测信号进行筛选，排除干扰粒子的影响，有效提高谱仪的探测准确性。利用“和谱分析法”，将α粒子和T粒子引起的脉冲信号幅度相加并解谱，得到中子能谱。硬件设计方面摒弃过去常用的门电路，以FPGA为控制核心，辅以放大整形电路、模拟电路、ADC模数转换电路及FPGA数字信号处理电路，实现对脉冲信号的处理及符合。
　　通过在CFBR-Ⅱ堆上开展的热中子测量实验，对系统进行测试和验证，因涉及保密，故无法完全展示准确的测量数据，只能通过图片展示相关的测试结果。以239Pu和241Am混合α源对双PIPS探测器进行性能测试，所得α谱的峰位、峰半宽度基本一致，验证了探测器PIPS1和PIPS2符合夹心谱仪对于探头的对称性要求;同时对比用金硅面垒型探测器和4H-SiC探测器制成的夹心谱仪对α粒子及T粒子的探测结果，验证了PIPS探测器的良好性能;最后对两个PIPS探测器的符合相加信号脉冲幅度谱进行解谱，获得求和符合谱，首次验证了可以利用PIPS探测器制成性能良好的6LiF夹心中子谱仪，为高精度中子能谱的测量奠定了基础。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 临界装置中子能谱测量的发展和现状

1．2．1 测量技术的发展和现状

1．2．2 典型临界装置及其能谱测量

1．3 研究内容及章节安排

第2章 中子能谱测量的理论基础和方法

2．1 中子的性质及分类

2．2 中子与物质的相互作用

2．2．1 中子的散射

2．2．2 中子的吸收

2．3 快中子能谱的测量方法

2．3．1 飞行时间法

2．3．2 活化法

2．3．3 氢反冲法

2．3．4 核反应法

2．4 快中子探测器

2．5 本章小结

第3章 夹心谱仪的结构和工作原理

3．1．1 谱仪结构及工作原理

3．1．2 符合测量原理

3．2 探头结构及工作原理

3．3 PIPS半导体探测器

3．3．1 PIPS探测器的工作原理及特点

3．3．2 探测器的挑选

3．4 中子转换层

3．5 本章小结

第4章 数字化夹心谱仪

4．1 夹心谱仪的数字化技术

4．2 模拟电路

4．2．1 信号的滤波及放大

4．2．2 DAC调理电路

4．3 ADC模数转换电路

4．4 FPGA数字信号处理电路

4．5 本章小结

第5章 系统测试

5．2 CFBR-Ⅱ堆上中子能谱测试

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间获得学术成果