超铀核素α能谱响应函数的蒙卡模拟与影响分析

摘要

高放废物一直是放射性废物处理与处置的重点和难点，一般来自于核岛中的燃料棒燃烧产生的乏燃料中，约占乏燃料总重量的3%，但高放废物的放射性活度高、衰变周期长一直是核废物处理与处置的难点和重点，其中代表性的超铀α核素有Pu、U、Am、Cm、Np等。有效的α粒子测量数据不仅能够用于计算母体核素的放射性活度，鉴别α核素的种类，还能为高放废物的深地质处置库环境中 α 核素监测提供依据，因而通过α能谱测量方法检测长半衰期超铀核素是一个基础且十分重要的工作。在α能谱测量过程中，α能谱容易受到各类因素的影响。通过实验的方式分析α能谱测量过程中各类因素对测量结果的影响复杂且受到仪器条件及性能限制，可行性较差。本文通过蒙特卡罗方法模拟α能谱响应函数，对能谱测量过程中各类影响因素逐一分析，明确α能谱测量过程中谱仪探测效率的主要影响因素。根据探测器实际参数建立MC模型，并通过实验与模拟结果的对比对模型进行校正，在此基础上模拟α能谱响应函数，并且对α谱仪探测效率影响因素开展深入研究。本文使用SRIM软件模拟α粒子在空气中和探测器死层中的射程及浓度分布，分析了谱仪腔室压强、探头死层厚度对谱仪探测效率的影响。使用MCNPX模拟分析了探源距、探测器本征探测效率对谱仪探测效率的影响，并通过实验与模拟数据计算出了谱仪对三种放射源的本征探测效率。通过α能谱响应函数蒙卡模拟，分析了放射源轴心距、放置角度对谱仪探测效率的影响。实验与模拟结果表明本文使用的蒙特卡罗方法可以用于α能谱响应函数模拟。α谱仪探测效率的影响因素有：探源距、本征探测效率、轴心距、放射源放置角度，研究结果表明：α能谱测量过程中，放射源轴心距应小于4cm，放置角度应小于39.8°，可偏转区间为[50.2°,129.8°]。本文所做的研究工作不仅可以用于α能谱响应函数模拟，还可以为α能谱数据精确测量提供指导，为实验方案的制定提供依据。同时本文建立的蒙卡模型还可以用于单能α能谱响应函数模拟，为单能α粒子能谱研究提供帮助。

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Southwest University

摘　　要

Abstract

１　绪论

1.1　研究背景与研究意义

1.2　研究现状

1.3　研究内容

2　研究基础

2.1　α射线与物质的相互作用

2.2　核废物来源与分类

2.3　常用的α粒子探测器

2.3.1　金硅面垒型半导体探测器

2.3.2　离子注入型硅半导体探测器

2.3.3　PIPS-α谱仪

2.3.4　实验中使用的α放射源

2.4　蒙特卡罗软件模拟

2.4.1　SRIM模拟

2.4.2　MCNPX模拟

3　能谱响应函数MC模拟

3.1　谱仪对α放射源的能谱测量分析

3.1.1　粒子在晶体中的射程与分布

3.1.2　α能谱高斯展宽

3.2　能谱实验测量

3.3　MCNPX模拟设置：空气密度

3.4　能谱响应函数蒙特卡罗模拟

3.5　结果与讨论

3.5.1　模拟结果

3.5.2　实验验证与误差分析

3.6　本章小结

4　谱仪探测效率模拟及其影响研究

4.1　谱仪探测效率影响因素分析

4.1.1　空气压强、探测器死层厚度影响

4.1.2　放射源与探测器几何因子计算

4.2　不同真空度、探源距能谱测量

4.3　MCNPX模拟设置：源的描述卡

4.3　探测效率影响因素模拟

4.4　结果与讨论

4.4.1　蒙卡模型测试

4.3.2　本征探测效率计算

4.3.3　探测效率与探源距的关系

4.3.4　空气密度对能谱峰形的影响

4.5　本章小结

5　源的空间位置对探测效率的影响

5.1　几何因子

5.2　实验测量

5.3　MCNPX模拟设置：放射源放置角度

5.4　轴心距与放射源放置角度影响模拟

5.5　结果与讨论

5.5.1　轴心距对α能谱测量的影响

5.5.2　放射源放置角度对探测效率的影响

5.6　本章小结

结　　论

致　　谢

参考文献

附录1：α能谱响应函数模拟代码

附录2：探源距、腔室压强对谱仪探测效率的影响模拟

附录3：轴心距、放置角度对谱仪探测效率的影响模拟

附录4：不同放置角度谱仪探测效率相对偏差（SDD=10mm）

附录5：不同放置角度谱仪探测效率相对偏差（SDD=20mm）

附录6：不同放置角度谱仪探测效率相对偏差（SDD=30mm）

附录7：不同放置角度谱仪探测效率相对偏差（SDD=40mm）

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果