用于核材料γ能谱测量的便携式HPXe屏栅阵列电离室的设计

摘要

本课题采用高气压氙(HPXe)(压力大于40个大气压)作为电离室工作介质，针对核监控检测中铀、钚材料发射的γ射线，设计了一种可以用于这类γ射线能谱测量的便携式电离室探测器。 由于铀、钚核材料发射的γ射线能量比较集中——主要在0.1～2MeV之间，且分支比都比较小，生成的γ能谱复杂，因此用于这类γ射线检测的探测器要求有较高的能量分辨本领和探测效率，同时便携式谱仪要求探测器在不同的环境条件性能稳定。 我们通过大量的文献调研发现，选用高纯的Xe为工作介质的HPXe电离室可以作为核查用便携式γ谱仪的探测器。首先，现有屏栅HPXe电离室对于0.662MeV和1.117MeV的γ射线的能量分辨本领达到2.0％和1.0％，优于使用中的NaI探测器和化合物半导体探测器的能量分辨本领；其次，Xe的原子序数大，对γ射线的反应截面大，电离室结构灵活，可以制作成满足各种探测效率需要的体积和形状；第三，电离室能量线性、分辨本领及探测效率等对于环境温度的变化不灵敏，各项性能工作稳定。 但现有的用于γ能谱测量的HPXe屏栅电离室也存在不足：栅极对声学噪声和振动敏感，影响探测器的能量分辨本领。在用于能谱测量的圆柱型和平行板型结构形式的电离室中，圆柱型屏栅电离室结构简单，但是增加灵敏区体积使电极系统变大，栅极强度减弱，同时工作电压增加，不便于高压电源集成；一般结构的平行板屏栅电离室在获得高的探测效率和能量分辨本领上有其结构上的灵活优势，栅极也容易固定，但很难同时兼顾探测效率和能量分辨本领的要求，外观尺寸较大，一般用于实验室条件下工作，不适于便携式γ谱仪。针对上面两种结构的优缺点，本工作设计了一种新的电极结构形式，它既拥有平行板电离室在能量分辨本领上和栅极结构上的优点，也具有圆柱型屏栅电离室灵活的灵敏区体积、便于携带的长处，以屏栅平行板电离室的基本结构形式为基础，采用电极阵列结构形式增加探测器的灵敏区面积和体积提高探测效率。设计的电离室体积约为4000cm<'3>，其有效灵敏区体积为2000cm<'3>，灵敏区面积为500cm<'3>。此外，本文采用蒙特卡罗程序MCNP对电离室相关的主要性能参数进行了计算、研究。主要的研究成果有： 1)完成了对HPXe屏栅阵列电离室电极系统结构的设计； 2)完成了对HPXe屏栅阵列电离室密封壳总体结构的设计； 3)完成了对HPXe屏栅阵列电离室相关电子学系统基本参数的计算工作； 4)运用蒙特卡罗程序MCNP计算了电离室室壁材料与γ射线发生作用后产生的主要效应； 5)运用蒙特卡罗程序MCNP计算了电离室对铀、钚核材料主要γ射线的探测效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.引言

1.1研制用于能谱测量的阵列HPXe电离室的意义

1.2本文主要工作内容及研究方法

2.电离室探测γ射线的基本原理

2.1 γ射线与物质相互作用的基本原理

2.1.1光电效应

2.1.2康普顿效应

2.1.3电子对效应

2.1.4 γ射线的吸收

2.2气体中离子、电子的运动规律

2.2.1气体的电离

2.2.2电子和离子的漂移和扩散

2.2.3电子和离子的扩散

2.2.4负离子的形成及离子、电子的复合

3.用于能谱测量的电离室的基本结构原理与性能

3.1电离室的基本结构和工作原理

3.2平行板电离室的输出信号

3.2.1平行板电离室脉冲的形成

3.2.2屏栅电离室脉冲的形成

3.3电离室主要性能及其影响因子

3.3.1探测效率

3.3.2能量分辨本领

3.3.3饱和特性

3.3.4时间分辨本领

3.3.5负电性气体对电离室性能的影响

4.电离室设计中的蒙特卡罗方法

4.1蒙特卡罗方法概述

4.1.1蒙特卡罗方法的基本思想

4.1.2蒙特卡罗方法的特点

4.1.3蒙特卡罗方法解题的思路

4.1.4蒙特卡罗方法的收敛性和误差估计

4.1.5蒙特卡罗方法解粒子输运问题的程序结构

4.2 MCNP程序简介

5.屏栅阵列电极高压氙(HPXe)电离室的设计

5.1 HPXe电离室的基本谱学特性

5.1.1平均电离能

5.1.2饱和特性

5.1.3能量分辨本领

5.2阵列屏栅电极系统的设计

5.2.1能量响应范围

5.2.2阴极—栅极间距和栅极—阳极间距的确定

5.2.3电极单元的结构设计

5.2.4电离室阵列电极个数的确定与蒙特卡罗计算

5.3密封绝缘子设计

5.4密封壳设计

5.4.1电离室的工作气压

5.4.2电离室的室壁材料及厚度选择与蒙特卡罗计算

5.5电离室的组装

5.6 HPXe电离室的充气工艺

5.7 HPXe电离室的信号响应的计算

5.7.1电离室的信号电流

5.7.2电离室的漏电流

5.7.3电离室高压电源的纹波电流

5.8 HPXe屏栅阵列电离室探测效率的蒙特卡罗计算

5.8.1阵列电离室的几何描述

5.8.2计算结果与讨论

6.结束语

参考文献

在读期间科研成果

致谢