D-T中子与贫化铀作用的瞬发γ谱研究

摘要

在热核武器和聚变—裂变混合能源堆中，D-T中子在宏观贫化铀（天然铀）材料中的输运是其最重要的物理过程之一。中子在材料中输运时，通过辐射俘获、裂变、非弹等核反应而伴随瞬发γ射线的发射。瞬发γ射线可以反映中子与材料的相互作用过程，与核反应和核结构信息紧密相关，测量瞬发γ射线是检验相关反应截面数据准确性、监测核过程的重要手段之一;同时，测量瞬发γ射线可为评估裂变能量、γ射线泄漏过程参数、铀核参数检验等提供实验数据支持。宏观贫化铀球壳样品是核武器工程模拟中必不可少的装置之一。为此，基于14MeV D-T脉冲中子，针对不同的宏观贫化铀球壳样品开展瞬发γ射线谱实验研究，建立相应的测量手段和发展相应的数据分析能力，并获取D-T中子与宏观贫化铀样品作用的瞬发伽玛谱实验数据。
　　本论文以D-T中子与宏观贫化铀球壳样品作用发射的瞬发γ射线能谱和时间谱为研究对象，主要开展了测量方法、蒙卡模拟计算、测量技术和瞬发伽玛实验四方面的研究工作。
　　D-T中子与贫化铀样品作用时，除了由裂变、非弹及辐射俘获反应发射的瞬发γ射线之外，还会产生核衰变γ射线、直流本底中子产生的瞬发γ射线、直穿中子打在探测器上产生的瞬发γ射线、源中子靶室结构材料产生的瞬发γ本底、贫化铀样品以外的其它材料产生的瞬发和缓发γ本底、散射中子在准直器等材料中产生的γ射线等众多本底的干扰。这些本底γ中:衰变γ射线（或称为缓发γ射线）与直穿中子在探测器上产生的瞬发γ射线占主要贡献。为了扣除这些非期望的γ本底，根据这些γ射线的时间和来源等特性，设计了相应的准直系统和影阴锥屏蔽体统，采用基于脉冲中子源的飞行时间测量方法对D-T中子与铀材料作用的瞬发γ射线谱进行了研究。
　　模拟计算方面:(1)利用TARGET程序对D-T中子的能量、强度各向异性分布，中子平均能量和能散等进行模拟计算，将计算结果用于MCNP输入卡中的中子源项描述。(2)利用MCNP对BC501A和CLYC探测器的γ响应和探测效率等进行了模拟计算，获得的结果经过了实验验证，响应矩阵用于反冲电子谱解谱。(3)根据实验模型用MCNP进行了蒙卡建模，通过模拟计算获得了γ通量最大时的贫化铀球壳样品厚度，及瞬发γ射线的时间过程，根据计算结果选择实验样品及脉冲中子源工况。(4)利用MCNP和EGSnrc程序耦合计算，避免了MCNP在计算中子伽玛射线耦合输运时能量沉积记录类型本质上的不可靠性，获得了相应位置的瞬发γ射线谱及在液闪探测器中产生的反冲电子谱和CLYC探测器中产生的γ谱，同时大大提高了计算效率。
　　测量技术方面:(1)重点研究了适用于n/γ射线混合场中γ射线测量的BC501A/BC537液闪探测器和钾冰晶石家族的CLYC探测器。对探测器的能量响应函数、能量分辨、探测效率和n/γ甄别性能等特性进行了研究，获得了γ射线在相应液闪探测器中产生的康普顿边的确切位置、能量分辨率、响应矩阵和n/γ甄别下限。这有利于提高能量标定和解谱精度、便于实验参数的设定。(2)针对脉冲中子源和飞行时间方法，基于NLM电子学建立了“双符合+ToF”的瞬发γ射线测量技术，以及基于高速数字化仪的ToF符合测量技术，并基于LabVIEW编写了相应的数据采集程序。并将这两种技术成功应用于D-T中子与贫化铀球壳的瞬发γ射线实验研究。(3)为了分析本文基于数字化仪测量的实验数据，编制了坏事例剔除程序、n/γ甄别程序、谱分析程序和伴随α粒子分析程序。(4)对几种常用的解谱方法:GRAVEL迭代法、Tikhinov正则化方法、逆矩阵方法进行了分析和比较。
　　实验研究方面:(1)基于NIM电子学、BC501A液闪探测器和“双符合+ToF”方法，对D-T中子与厚度为3.1cm的宏观贫化铀球壳的作用开展了瞬发伽玛实验研究，对本底来源进行了详细考虑和分析，并采取相应技术进行了扣除;首次获得了该特定宏观样品0.4-3MeV能区的瞬发伽玛能谱和时间谱，针对瞬发γ射线的来源和影响因素，对瞬发γ射线能谱和时间谱的不确定度进行了综合评定，并与蒙卡计算结果进行了比较。(2)基于高速数字化仪、BC501A、CLYC探测器和ToF方法，对厚度为3.95cm的宏观贫化铀球壳样品开展了瞬发伽玛谱实验研究;对探测器信号、感应筒信号和伴随α信号进行了同步测量;然后基于离线分析程序对γ事例和伴随α粒子进行分析和本底扣除，获得瞬发γ射线能谱、缓发γ射线能谱、瞬发γ射线时间谱。同时，还可以获得γ射线的时间—能量二维谱，及中子事例的反冲质子谱（能谱）、飞行时间谱和时间—能量二维谱。
　　通过本论文工作，改进和发展了中子与宏观样品作用的瞬发γ射线测量技术，提高了数据分析能力，为后续相关实验研究提供了良好的测试方法和实验手段。首次获得了D-T中子与特定宏观贫化铀样品作用0.4MeV—3MeV能区的瞬发γ射线能谱和时间谱，实验数据可为裂变放能诊断和铀核参数检验等提供数据支撑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 瞬发γ实验简介

1．3 研究进展

1．4 本论文研究内容和目标

第2章 实验方法与设计

2．1 γ射线产生的基本原理

2．2 实验方法

2．3 测量装置

2．3．1 中子源

2．3．2 贫化铀球壳装置

2．3．3 准直与屏蔽系统

2．3．4 探测系统

2．4 小结

第3章 模拟计算

3．1 计算程序

3．2 探测器响应和效率计算

3．3 加速器单能中子场特性计算

3．4 实验条件模拟计算

3．5 瞬发γ谱和反冲电子谱计算

3．6 小结

第4章 测量技术

4．1 D-T中子源监测

4．2 中子／γ混合场中的γ射线探测器

4．3 液体闪烁体探测器

4．3．1 测量条件

4．3．2 特征函数

4．3．3 实验测量和模拟计算

4．3．4 实验验证

4．3．5 小结

4．4 气泡对液闪探测效率的影响

4．4．1 探测器模型

4．4．2 γ射线响应模拟和讨论

4．4．3 探测器性能实验验证

4．4．4 小结

4．5 CLYC闪烁体探测器

4．5．1 CLYC探测器及测量原理

4．5．2 测量方法

4．5．3 CLYC特征函数

4．5．4 CLYC γ响应矩阵模拟及实验验证

4．6 解谱方法

4．7 数字技术

4．8 本章小结

第5章 实验研究

5．1 实验情况简介

5．2 基于NIM电子学的实验

5．2．1 中子源

5．2．2 时间刻度

5．2．3 能量刻度

5．2．4 实验测量

5．2．5 本底扣除

5．2．6 实验结果

5．2．7 不确定度分析

5．2．8 讨论

5．2．9 小结

5．3 基于数字化仪的实验

5．3．1 概述

5．3．2 基于BC501A的实验

5．3．3 基于CLYC的实验

5．4 小结

第6章 总结和展望

6．1 工作总结及创新点

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果