嵌套式宽能空间中子谱仪蒙特卡罗模拟研究

摘要

对太空的探索和载人航天事业的发展一直是人类的追求与不断发展的动力，近年来随着载人航天事业的蓬勃发展，对太空中子辐射环境的测量占据了越来越重要的位置。空间环境复杂，中子能量高分布广泛，且中子不带电，易与轻元素物质发生相互作用，一方面，利用中子该特点对太空中水资源进行探索，同时也为太空生命体是否存在提供科学依据;另一方面，通过对空间辐射环境的测量能够为航天人员以及航天器材的辐射防护提供十分重要的依据。因此，对空间中子的能谱测量显得至为重要，只有有效的测量出空间中子能谱，才能很好的为航天人员以航天器材提供有效的安全保障。
　　本论文以国防科研基础项目“空间辐射中子能谱测量和剂量校准技术”子题“空间辐射中子能谱分析技术研究”为依托，围绕空间中子能谱测量技术开展了相关工作。鉴于空间中子能量广，从几eV～几十MeV，有的甚至高达上千兆，而国内现有的多球中子谱仪只对小于20 MeV中子的灵敏度高，且多是由多个大小不同的慢化球共同构成中子能谱探测系统，每个球体配备一个中心探测器和一套信号处理系统，多个探测系统在探测时相互影响，导致探测结果的不一致，本文为了实现对空间宽能谱中子的测量，借用现有多球系统慢化球的结构，设计了两种适用于空间中子能谱测量的嵌套式宽能谱中子谱仪，即分离组合型嵌套式中子谱仪和注水抽离型嵌套式中子谱仪。
　　本论文的主要研究内容如下:
　　1)选取分离组合型嵌套式中子谱仪和注水抽离型嵌套式中子谱仪的中心探测器。通过比较3He、10B、6Li三种元素与中子的反应截面，选择反应截面最高的3He中子正比探测器作为两套嵌套式中子谱仪的中心探测器。
　　2)选取分离组合型嵌套式中子谱仪和注水抽离型嵌套式中子谱仪的慢化材料。在英国Centronic公司的SP9型3He中子正比探测器外添加四种慢化材料(聚乙烯(PE)、水(Water)、石蜡（Paraffin）、重水（Heavy Water）），借助FLUKA模拟慢化球对中子的能量响应随慢化材料厚度的变化趋势，考虑价格、响应大小、安装便利度等因素，最终选取聚乙烯和水分别作为分离组合型嵌套式中子谱仪和注水抽离型嵌套式中子谱仪的的慢化材料，并选取了用于小于10 MeV中子响应的聚乙烯球厚度和水厚度。
　　3)对分离组合型嵌套式中子谱仪和注水抽离型嵌套式中子谱仪慢化球进行了结构优化和参数选择。在聚乙烯慢化球的某些层添加辅助材料(Cu、Pb、W)，用FLUKA分别模拟相应慢化球对入射中子的能量响应随中子能量的变化趋势，最终考虑尺寸、重量、价格等多方面因素，选取了最佳参数的慢化球对大于10MeV中子进行响应。改变水球慢化球的大小与结构，用FLUKA模拟不同水球对中子的能量响应，选取最佳的水球参数和结构。设计分离组合型嵌套式中子谱仪和注水抽离型嵌套式中子谱仪的系统结构。对两套嵌套式中子谱仪进行结构设计，均采用嵌套式的形式，通过多次测量实现宽能谱中子测量。
　　4)验证分析在模拟过程中可能出现的影响模拟结果的因素，排除它们对实验结果的影响。比较两种嵌套式宽能谱中子谱仪。分别分析了两套结构的宽能谱中子谱仪的优缺点，并对它们的能谱探测效果进行了比较分析，得出了两种嵌套式谱仪的适用范围。
　　本论文取得的主要成果如下:
　　1)设计了分离组合型嵌套式中子谱仪，以聚乙烯作为慢化材料，采用聚乙烯球壳和金属铅球壳在中心探测器外自由嵌套组合构成不同大小的慢化球对宽能中子进行测量，提高了聚乙烯球对大于10 MeV中子的能量响应。在中子能量为10 MeV时，响应值能达到不加金属层的1.68倍，在中子能量为100 MeV时，响应值能达到不加金属层的26.44倍，在中子能量为1000 MeV时，响应值能达到不加金属层的120.47倍。
　　2)设计了注水抽离型嵌套式中子谱仪，以铅玻璃球壳构成不同的球层，通过在不同球层内注入或抽离水构成不同大小的慢化球对宽能中子进行测量，提高了聚乙烯球对大于10 MeV中子的能量响应。在中子能量为100 MeV时，注水后的注水抽离型嵌套式中子谱仪装置的探测器响应相对相同水厚度下水球探测器响应的7.88倍。
　　3)嵌套式中子谱仪保证了每次测量使用的探测器和测量电子学系统都相同，因此，很好的解决了测量的一致性问题;在同一个信号采集系统、数据处理系统中进行信号处理，有效避免了多个信号采集系统与数据处理系统造成的误差。
　　本论文的主要创新点如下:
　　1)慢化球均采用同心嵌套的形式。分离组合型嵌套式中子谱仪用不同聚乙烯球壳和辅助材料(Cu、Pb、W)球壳在同一3He正比计数器外自由组合，构成不同参数、不同大小的慢化球，通过多次测量实现对宽能量范围中子的能谱的测量。注水抽离型嵌套式中子谱仪是一个整体，通过在不同层的嵌套式壳内注入或者抽出水来改变慢化厚度，从而实现“多球”的目的。嵌套式解决了现有多球系统球球干扰的问题。
　　2)采用一套电子学系统对多次测量的数据进行信号处理。分离组合型嵌套式中子谱仪和注水抽离型嵌套式中子谱仪各自配备一套电子学系统，多次测量的数据通过各自的电子学系统处理，克服了现有多球系统，多套电子学系统相互干扰的问题。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题背景和意义

1．2 中子探测基本原理

1．2．1 中子与物质的相互作用

1．2．2 常见的中子探测器

1．3 常见的中子能谱测量方法

1．3．1 中子飞行时间谱仪

1．3．2 反冲质子谱仪

1．3．3 固体径迹探测器

1．3．4 多球中子谱仪

1．4 蒙特卡罗方法及FLUKA软件介绍

1．4．1 蒙特卡罗方法

1．4．2 FLUKA软件介绍

1．5 技术路线和主要研究内容

1．5．1 技术路线

1．5．2 主要研究内容

1．6 论文结构安排

第2章 嵌套式中子谱仪响应函数及能谱计算方法

2．1 嵌套式空间中子谱仪能量响应与能谱计算

2．1．1 能量响应计算

2．1．2 中子能谱计算

2．2 能量响应影响因子

2．2．1 空气对环境中子衰减作用

2．2．2 聚乙烯密度对响应的影响

本章小结

第3章 嵌套式宽能空间中子谱仪结构设计

3．1 中心探测器选择

3．2 慢化材料选择

3．2．1 聚乙烯和石蜡慢化

3．2．2 水与重水慢化球响应函数曲线

3．2．3 材料与参数选择

3．3 分离组合型嵌套式中子谱仪

3．3．1 慢化球模型

3．3．2 谱仪系统模型

3．4 注水抽离型嵌套式中子谱仪

3．4．1 慢化球模型

3．4．2 谱仪系统模型

本章小结

第4章 计算结果及分析

4．1 分离组合型嵌套式中子谱仪

4．1．1 双层结构

4．1．2 夹层结构

4．1．3 双层结构与夹层结构响应函数比较

4．1．4 参数选择

4．1．5 探测方法

4．2 注水抽离型嵌套式中子谱仪

4．2．1 响应比较

4．2．2 参数选择

4．2．3 探测方法

本章小结

第5章 两种嵌套式中子谱仪对比分析

5．1 小于10 MeV中子响应函数对比

5．2 大于10 MeV中子响应函数对比

5．3 重量比较

5．4 结构比较

本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果