气体闪烁体光学方法测量中子能谱研究

摘要

中子能谱是研究和诊断核反应过程特性最重要的特征量之一。本论文研究探索了一种适用于测量脉冲中子能谱的技术方法，这是一种基于气体闪烁体和CCD相机(Charge-coupled Device，CCD)的能谱测量的光学方法。本质是依据带电粒子束径迹长度确定能量，粒子径迹分布只取决于气体闪烁体和粒子本身，而不受源脉冲状态的限制。光学成像的测量方法即可应用于脉冲辐射场，又可实现对强流稳态辐射场带电粒子束能谱的测量，具有测量直观、能量分辨好、适用于多种带电粒子束、量程范围宽且简单方便可调等特点。这种测量能谱的新方法与中子与氢核的弹性散射的反冲质子测量原理相结合，通过转换靶将中子转换为反冲质子，可进而求出入射中子能谱分布。这种方法对于中子谱学的研究、聚变/裂变物理诊断具有十分重要的学术价值和实践意义。
　　本论文研究目标是建立一套基于光学方法的能谱测量系统。粒子束流入射到气体闪烁体中，粒子沿射程径迹沉积能量并激发气体闪烁体发光，采用CCD相机获取气体闪烁发光图像并根据图像反演求解入射粒子束的能谱。研究内容包括:1.通过理论推导与模拟计算建立相关模型，研究入射中子与反冲质子的能量关系;入射中子角度、入射中子与反冲质子的角度以及反冲质子射入气体闪烁体探测器的角度关系;反冲质子能量与气体闪烁体内能量沉积、能量沉积与闪烁体发光之间关系。2.闪烁发光图像研究。入射粒子经过气体闪烁体后产生能量沉积使气体分子激发或部分电离，激发分子退激而产生闪烁光。通过研究分析，确定了气体闪烁体成分为90％Ar+1O％CF4。基于闪烁发光图像对探测器能量响应线性和能量分辨的研究表明，探测器的能量响应具有很好的线性，可以实现20keV以内的能量分辨。3.探测器响应研究。通过气体闪烁体探测器对不同能量入射粒子的响应过程进行研究，提取沿反冲质子入射方向的闪烁发光强度的变化作为特征量，得到探测系统对于不同能量入射粒子的响应，建立了响应矩阵。4.解谱算法的研究。根据探测器响应矩阵，由收集到的闪烁图像通过解谱算法得到初始中子精确的能谱分布。发展了基于势函数下降内点算法的解谱算法，将该算法首次应用于中子能谱的解谱研究，该算法在每一部迭代过程中，通过不断调整迭代步长和方向，能够以较快的收敛速度接近最优解，比传统的解谱算法计算效率提升很多。5.探测方法研究，首次建立了依据不同权重的多方向测量方法，在反冲质子出射方向设置一系列多个探测器，分别同时收集反冲质子能谱信息，经过解谱即得到该方向的所求得的中子能谱，然后再依据多个方向上的各自的权重而得到最终的结果实现能谱的精确求解。同时，显著提升了探测效率。
　　现有能谱测量方法在一些情况下（如源脉冲持续时间较长、要求实时测量的场合）应用受限，这类辐射场中子能谱的测量至今仍是中子谱学遗留问题。本论文研究针对脉冲中子能谱测量的重大需求，发展了一种新的能谱测量方式。将径迹探测器直观的、能应用于脉冲辐射场的特点与现代成像组件实时方便的图像信息采集和处理的优势结合起来。解决了现有的能量测量方法结构复杂、使用时受辐射场强度限制等技术问题，为脉冲中子能谱测量探索一条新的技术途径。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 中子能谱及其测量方法概况

1．2．1 中子及中子能谱

1．2．2 中子能谱测量方法

1．2．3 径迹成像技术的发展

1．3 本课题的主要研究内容

第2章 理论基础

2．1 测量中子能谱的反冲质子方法

2．2 质子在物质中的能量沉积规律

2．3 气体闪烁发光机理

2．4 本章小结

第3章 气体闪烁体光学方法模拟研究

3．1 反冲质子系统

3．1．1 聚乙烯靶厚度

3．1．2 探测器相对位置

3．1．3 反冲质子微分产额

3．2 气体介质选择

3．2．1 工作气体选择

3．2．2 掺杂气体选择

3．2．3 掺杂浓度及混合气体压强研究

3．3 气体发光图像及特征

3．3．1 质子直接激发

3．3．2 反冲质子激发

3．4 基于光学图像的能量响应线性及分辨研究

3．4．1 能量响应线性研究

3．4．2 能量分辨研究

3．5 探测效率研究

3．5．1 单方向测量

3．5．2 多方向测量

3．6 本章小结

第4章 中子能谱的解谱研究

4．1 中子解谱概述

4．2 解谱算法研究

4．2．1 GRAVEL算法

4．2．2 势函数下降内点算法

4．2．3 直接算法

4．2．4 数值试验测试

4．3 中子能谱的解谱

4．3．1 解谱结果

4．3．2 求解精度评估

4．3．3 计算效率评估

4．4 多方向加权方法

4．4．1 基本原理

4．4．2 计算结果

4．4．3 应用实例

4．5 本章小结

第5章 基于光学方法的带电粒子能量实验测量

5．1 实验装置物理设计

5．1．1 闪烁发光单元

5．1．2 充气与抽真空系统

5．1．3 粒子入射窗

5．1．4 光学观察窗

5．2 直接读出方法

5．2．1 CCD相机及主要特点

5．2．2 闪烁发光直接成像

5．3 α粒子能谱测量

5．3．1 成像结果

5．3．2 α粒子能谱反演

5．4 质子能谱的测量

5．4．1 吸收体的设计

5．4．2 质子能谱反演

5．5 本章小结

6．1 工作总结

6．2 主要创新点

6．3 工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介