加速器驱动洁净核能系统中子能谱测量的叠层探测技术研究

【摘要】：本文利用中子与氢核弹性散射的原理和CR-39探测器记录质子的特性，建立了一种快中子能谱测量方法(叠层探测器)。利用该方法对“14MeV中子+铅球”表面的泄漏中子能谱进行了研究，与活化法测量结果和理论计算结果进行了比对。三者符合较好。该方法有如下特点：1)探测器体积较小，其测量中子能谱的空间分辨高，且可在各向同性的中子场中进行。2)根据所测中子能量需要，作成所测能量的探测器组合，可不用程序解谱直接得到中子能谱。该方法测量中子能谱与其它方法如阈探测器法、飞行时间法相比，其中子能谱的空间和能量分辨率好。 本文分为四个部分。第一部分为绪论。主要介绍了加速器驱动次临界洁净能源系统(ADS)特点和意义以及“启明星1~#次临界装置”的构造和特点，根据“启明星1~#次临界装置”的特点，提出了叠层探测器测量中子能谱的方法。第二部分介绍了中子能谱测量历史和测量方法。从历史和现状看：中子能谱测量分为三个阶段，即：1932—1959，1960—1979和1980—至今；第一阶段主要采用电离室、正比计数器、云室、核乳胶、有机闪烁体、反冲望远镜和俘获门等中子谱仪；第二阶段主要采用Bonner多球法。第三阶段在中子能谱测量中采用了计算机技术。从测量方法看：主要有反冲法、核反应法、飞行时间法、阈探测器法和晶体衍射法等方法，介绍了各自的特点。第三部分介绍了叠层探测器的理论模型及其特性，建立了径迹测量系统和电化学蚀刻装置。1．叠层探测器理论模型，即：聚乙烯(质子产生器)+铅(或铝、金)(质子能量衰减器)+CR-39探测器(质子记录器)。当中子入射到聚乙烯中，中子与聚乙烯中的氢核发生弹性散射，产生的反冲质子通过铅后，将能量衰减，最后射入CR-39探测器中。根据入射中子能量E_n与反冲质子能量E_p的关系，即E_p=E_ncos~2φ，(φ为入射中子方向与反冲质子方向的夹角)，通过测量φ方向的反冲质子的能量，求得入射中子的能量。中子与氢核的弹性散射截面采用ENDF／B6数据，中子的能量范围为0-20MeV，划分为95个能量点。利用Henke R．P．et al编写的带电粒子能量一射程程序，分别计算得到了不同能量质子在聚乙烯、铅和CR-39探测器中的射程，质子能量在O-19.5MeV范围内，划分为60个能量点。计算了不同厚度聚乙烯，不同厚度铅衰减器和CR-39探测器组合的能量响应函数以及不同叠层探测器的能量 中国原子能科学研究院硕士(博士)学位论文 分辨率。计算结果表明:1)叠层探测器能量响应与中子能量、聚乙烯和铅的厚度有 关。聚乙烯厚度不变，改变铅的厚度，随着铅的厚度变大，能量响应的峰值变小，而 且峰值的位置向中子能量高的方向移动，能量响应峰的形状也改变。2)铅的厚度不 变，改变聚乙烯的厚度，随着聚乙烯厚度变大，峰值变大，峰值位置向中子能量高的 方向移动，峰的形状也改变。3)叠层探测器能量分辨率与聚乙烯厚度和铅的厚度有 关，当聚乙烯厚度一定时，能量分辨率随铅的厚度增大而变小。而当铅厚度一定时， 能量分辨率随聚乙烯厚度增大而变大。2.对CR一39探测器的特性进行了研究。在一 定化学和电化学蚀刻条件下，CR一39探测器能够记录一定能量范围质子产生的径迹。 电化学蚀刻可以使己经形成的点径迹产生树状径迹，而且随着蚀刻时间变大树状径迹 变大。电化学蚀刻效率比化学蚀刻效率高。3.建立了一套径迹自动测量系统:该系 统由光学显微镜、CCD摄象机、图像采集卡、计算机、打印机、自动位移平台和自 动位移控制器组成。光学显微镜下的光学图像，经安装在显微镜上的CCD摄像机摄 像，变成模拟图像，送入图像采集卡，图像采集卡将模拟图像变换成数字图像，送入 计算机内存，通过图像分析处理，进行径迹的计数和径迹参数的测量。该系统对于径 迹密度大于1000计数/c mZ，其测量重复性误差小于5%，测量一个视野所用时间小于 65。4.建立了一套电化学蚀刻装置:该装置由低频信号发生器、蚀刻槽和恒温加热 器组成。低频信号发生器的主要技术参数为: ·输出频率范围:IHz一IMHz可调。 ·输出波形:正弦波。 ·输出电压:0一1600V(有效电压)可调 此装置可以提供最大电场强度为100kV/em(对300um厚CR一39)。 第四部分研究了”14MeV中子+铅球“表面泄漏中子能谱:1.利用MCNP程序计算 了铅球表面的中子能谱;2.利用叠层探测器和活化法测量了铅球表面的中子能谱，并 将理论计算和实验结果进行了比较。比较结果符合较好，叠层探测测器可以用于快中 子能谱测量。 关键词:各向同性;中子能谱;叠层探测器;电化学蚀刻; 【关键词】：各向同性 中子能谱 叠层探测器 电化学蚀刻
【学位授予单位】：中国原子能科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TL50
【目录】：

• 摘要(中文)4-6
• 摘要(英文)Abstract6-9
• 第一章 绪论9-16
• 1．1 选题意义9-14
• 1．2 研究内容14-16
• 第二章 中子能谱测量历史与现状16-24
• 2．1 中子能谱测量历史16-17
• 2．2 中子能谱测量方法17-24
• 2．2．1 飞行时间法17
• 2．2．2 氢反冲法17-19
• 2．2．3 核反应法19-20
• 2．2．4 阈探测器法20-21
• 2．2．5 晶体衍射法21-24
• 第三章 叠层探测器测量中子能谱24-57
• 3．1 叠层探测器原理24-29
• 3．1．1．反冲质子的能量24-28
• 3．1．2 中子与氢弹性散射截面28-29
• 3．2 CR-39探测器29-36
• 3．2．1 CR-39探测器物理特性29-32
• 3．2．2 CR-39探测器蚀刻特性32-35
• 3．2．3 CR-39探测器记录质子35-36
• 3．3 径迹测量系统36-39
• 3．4 叠层探测器特性39-51
• 3．4．1 叠层探测器39-44
• 3．4．2 叠层探测器能量响应函数44-50
• 3．4．3 叠层探测器的能量分辨率50-51
• 3．5 电化学蚀刻装置51-55
• 3．5．1 低频信号发生器52-53
• 3．5．2 蚀刻槽53-54
• 3．5．3 恒温加热器54
• 3．5．4 输出电压与频率的关系54-55
• 3．6 中子能谱55-57
• 第四章 “14MeV+铅球”表面中子能谱研究57-66
• 4．1 装置描述57-58
• 4．2 理论计算58-60
• 4．3 实验安排和结果60-65
• 4．4 结果比较65-66
• 第五章 结论66-68
• 参考文献68-71
• 致谢71-72
• 附录72-90
• 发表文章90-91

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