一种便携锥形多球中子能谱测量系统及其测量方法

1.本发明涉及核科学技术领域，具体涉及一种便携锥形多球中子能谱测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.中子能谱测量对于核工程和核物理领域的许多工作都有着重要意义。无论是在反应堆设计和应用中，还是在特殊环境工况下，能够精确测量和快捷地分析出中子能谱，也就是尽可能精确方便地确定中子源项，对于堆参数设计、核用特殊材料的辐照损伤评价以及特殊环境下中子屏蔽材料的设计，都是至关重要的。
3.多球中子谱仪系统最早由bramblett在1960年提出的，是由一系列不同直径的聚乙烯慢化球组成，中心探测器采用的球形正比计数器，多球中子谱仪具有响应范围广、各向同性以及操作简单等优点。但随着核技术发展，尤其是随着航天技术的发展，对于空间中子能谱测量要求多球中子能谱测量系统具有便携性和轻质量，减小航天运输的成本。为实现便携多球中子能谱测量的目的，国外设计一套带有四个球并且安装在可旋转平台上的中子能谱仪从而实现多球测量的目的；国内对多球中子谱仪进行了不断研究和改进，形成了多种类型的多球中子谱仪，国内李桃生研制了一种单球多计数器的谱仪，其在本质上是一种多球中子谱仪，但是将多个热中子正比计数器两两正交地内嵌在聚乙烯慢化体上；成都理工大学杨剑波教授研制的一款抽注水多层同心球中子谱仪；清华大学设计嵌套式多球中子能谱测量系统等都能实现多球的目的。
4.虽然上述改进的多球中子谱仪在一定程度上增加了谱仪的便携性，降低了谱仪的质量，但是由于嵌套式多球中子谱仪需要人为操作，增加了人员被辐射的风险；同时，每层增加慢化层增加了操作时间的复杂性。抽注水多层同心球中子谱仪采用水作为慢化材料，更换水层作为改变慢化材料的厚度，在空间中子测量的条件下增加了谱仪的操作的复杂性，并不适用空间中子的测量；国内李桃生研制了一种单球多计数器的谱仪采用了三个探头的热中子正比计数器，探头数量太少，增加了测量中子能谱准确度的风险。
5.为了简化中子谱仪测量系统，使其更加的便携，方便，本发明提供了一种单球多中子能谱计数系统及其测量方法，慢化主体为圆锥形状的慢化结构，圆锥中心轴处设有放置热中子探测的中心通孔。该系统存在两种测量方式：
①
需要多个热中子探测器，同时嵌入在圆锥中心轴处设有放置热中子探测的中心通孔处，通过圆锥处不同高度的慢化厚度不同达到实现多球测量的目的，此方案需要多个热中子探测器及其多套电子设备，但是操作简单；
②
只需要一个探测器和一套电子学设备就能满足能谱测量的需要，热中子探头采用电机牵引使其在圆锥中心轴处的中心通孔处上下移动，通过圆锥处不同高度的慢化厚度不同达到实现多球测量的目的，此方案可以实现n种慢化结构的目的。上述设计的单球多中子能谱计数系统解决了常规多球中子谱仪体积大，携带不方便的问题。同时，一个慢化结构实现了多球的多种慢化体的目的极大地减小了谱仪的重量。
6.国内外改进的多球中子谱仪在一定程度上增加了谱仪的便携性，降低了谱仪的质
量，但是由于嵌套式多球中子谱仪需要人为操作，增加了人员被辐射的风险；同时，每层增加慢化层增加了操作时间的复杂性。抽注水多层同心球中子谱仪采用水作为慢化材料，更换水层作为改变慢化材料的厚度，在空间中子测量的条件下增加了谱仪的操作的复杂性，并不适用空间中子的测量；国内李桃生研制了一种单球多计数器的谱仪采用了三个探头的热中子正比计数器，探头数量太少，增加了测量中子能谱准确度的风险。
7.本发明的目的旨在解决现有的多球中子谱仪，操作复杂、数量多、体积大的目的，提供了一种便携锥形多球中子能谱测量系统，所述的系统很好的解决现有便携式多球中子谱仪操作复杂，响应函数数量少解谱效果差，以及数量多、体积大的目的。
8.参考文献
9.1.bramblett r l,ewing r i,bonner t w.1960.a new type of neutron spectrometer.nuclear instruments andmethods[j],9:1-12.
[0010]
2.李桃生,乐智希,宫存溃,等.二元慢化型高能中子剂量仪:,cn101419290a[p].2009.
[0011]
3.洪兵,李桃生,张志勇,等.单球多计数器中子剂量仪的电子学系统研制[j].核技术,2014(011):037.
[0012]
4.dubeau j,witharana s,yonkeua,et al.anewtype of neutron spectrometerusing nested moderator.
[0013]
5.wiegel b,alevraa v.2002.nemus-the ptb neutron multisphere spectrometer:bonner spheres and more.nuclear instruments&methods in physics research section a-accelerators spectrometers detectors and associatedequipment[j],476:36-41.
[0014]
6.wiegel b,alevraav,siebert b r l.1994.calculations ofthe response functions ofbonner spheres with a spheriacl he-3proportional counter using a realistic detector model[m].physikalisch technische bundesanstalt.
[0015]
7.ing h,clifford t,mclean t,et al.1997.rospec-a simple reliable high resolution neutron spectrometer.radiation protection dosimetry[j],70:273-278.


技术实现要素：

[0016]
本发明提供了一种便携锥形多球中子能谱测量系统，所述的系统包括锥形慢化体1、圆柱形通孔4、中子探测器2和数据分析处理系统，所述的锥形慢化体1内部设置有圆柱形通孔4，所述的圆柱形通孔4内设置有中子探测器2，所述的中子探测器2至少设有1个，所述的数据分析处理系统用于接收并处理中子探测器中的信号；
[0017]
优选的，所述的锥形慢化体1内靠近圆柱形通孔4处设置有辅助材料3，用于提高对高能中子的探测响应。
[0018]
优选的，所述的锥形慢化体1内靠近圆柱形通孔4处设置有辅助材料3。
[0019]
优选的，所述的锥形慢化体1由富氢材料制备得到。
[0020]
优选的，所述的富氢材料为聚乙烯、石蜡或水。
[0021]
优选的，所述的富氢材料为水，水可以在使用时将水注入，在不使用时将水排掉，最大程度降低谱仪的质量。
[0022]
优选的，所述的圆柱形通孔4位于锥形慢化体1的中心轴线。
[0023]
优选的，所述的中子探测器2为球形中子探测器。
[0024]
优选的，所述的辅助材料3的成分为铅、铁或钨。
[0025]
优选的，所述的中子探测器2充满圆柱形通孔4，设置有2-30个。
[0026]
本发明的第二目的是提供所述的便携式锥形多球中子能谱测量系统的测量方法，包括如下步骤：构成了m种不同慢化厚度结构，在10-9
mev～20mev中子能量范围的每个能量量级内选取n个离散能量值，利用蒙特卡洛模拟软件得到m种不同慢化厚度下的响应函数值，最终形成下式中响应函数矩阵；
[0027][0028]
其中1～m代表m种不同慢化厚度，i代表选取的能量离散数；
[0029]
如果入射中子的能量最大为e
max
，入射中子能量最小为e
min
，那么其注量可以如下定义如下：
[0030][0031]
其中，nd是探测器的计数，r
φ
(e)是指探测器的响应函数，即单位中子注量在探测器内引起的反应数，φ(e)所求中子能谱；
[0032]
对上述公式进行离散化，得到如下公式：
[0033][0034]
中子探测器测量得到的m行一列矩阵如下式：
[0035][0036]
将公式(1)和公式(4)带入公式(3)得到：
[0037][0038]
通过反卷积的方式求得的即为所求的中子能谱。
[0039]
本发明的有益效果是：(1)提供了一种便携单锥形多球中子能谱测量系统，所述的便携单锥形多球中子能谱测量系统避免了常规多球中子谱仪球球干扰问题；也避免了测量过程重复进入辐射场所更换慢化球的目的；(2)本发明所述的便携单锥形多球中子能谱测量系统，未加辅助材料的锥形慢化体在中子能量为10-9
mev～20mev中子具有较好的响应效果；添加辅助材料的锥形慢化体在中子能量为10-9
mev～1000mev中子具有较好的响应效果；(3)所述的便携单锥形多球中子能谱测量系统操作简单，一个慢化球数量代替整个常规多球中子谱仪系统，极大地减小了谱仪的重量，增加了谱仪的便携性。
附图说明
[0040]
图1一种便携单锥形多球中子能谱测量系统
[0041]
1.锥形慢化体；2.中子探测器；3.辅助材料；4.圆柱形通孔；
[0042]
图2一种便携单锥形多球中子能谱测量系统
[0043]
图3无辅助材料时探测器结构示意图
[0044]
图4蒙特卡洛模型示意图
[0045]
左：剖面图；右：平面图
[0046]
图5无辅助材料时8个探头的响应函数
[0047]
图6探测器求解的中子能谱
[0048]
图7有辅助材料时探测器结构示意图
[0049]
图8蒙特卡洛模型示意图
[0050]
左：剖面图；右：平面图
[0051]
图9有辅助材料时8个探头的响应函数
[0052]
注：铅厚度1cm
[0053]
图10有辅助材料时8个探头的响应函数
[0054]
注：铅厚度2cm
[0055]
图11有辅助材料时8个探头的响应函数
[0056]
注：铅厚度3cm
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明的保护范围进行详细的阐述，应当说明的是，本发明的保护范围并不受以下实施例的限制。
[0058]
实施例一、一种便携锥形多球中子能谱测量系统
[0059]
如图1和图2所示，本发明提供了一种便携锥形多球中子能谱测量系统，所述的系统包括锥形慢化体1、圆柱形通孔4、中子探测器2和数据分析处理系统，所述的锥形慢化体1内部设置有圆柱形通孔4，所述的圆柱形通孔4内设置有中子探测器2，所述的中子探测器2至少设有1个，所述的数据分析处理系统用于接收并处理中子探测器中的信号；所述的锥形慢化体1内靠近圆柱形通孔4处设置有辅助材料3，用于提高对高能中子的探测响应。所述的锥形慢化体1由富氢材料制备得到，所述的富氢材料为聚乙烯、石蜡或水，如果慢化体材料为水等液体材料可以在使用时将水注入，在不使用时将水排掉，最大程度降低谱仪的质量，所述的圆柱形通孔4位于锥形慢化体1的中心轴线，所述的中子探测器2为球形中子探测器，
所述的辅助材料3的成分为铅、铁或钨，所述的中子探测器2充满圆柱形通孔4。
[0060]
实施例二、中子能谱测量方法
[0061]
构成了m种不同慢化厚度结构，在10-9
mev～20mev中子能量范围的每个能量量级内选取n个离散能量值，利用蒙特卡洛模拟软件得到m种不同慢化厚度下的响应函数值，最终形成下式中响应函数矩阵；
[0062][0063]
其中1～m代表m种不同慢化厚度，i代表选取的能量离散数。
[0064]
如果入射中子的能量最大为e
max
，入射中子能量最小为e
min
，那么其注量可以如下定义如下：
[0065][0066]
其中，nd是探测器的计数，r
φ
(e)是指探测器的响应函数，即单位中子注量在探测器内引起的反应数，φ(e)所求中子能谱。
[0067]
对上述公式进行离散化，得到如下公式：
[0068][0069]
中子探测器测量得到的m行一列矩阵如下式：
[0070][0071]
将公式(1)和公式(4)带入公式(3)得到：
[0072][0073]
通过反卷积的方式求得的即为所求的中子能谱。
[0074]
实施例三、不添加辅助材料利用中子能谱测量方法测量中子能谱
[0075]
按照如图3所示的方式安装探测器。在不添加辅助材料时，锥形慢化体尺寸为：下底直径为40cm，上底直径为7cm，高度为40cm，锥形慢化体材料采用密度为0.95g/cm3。圆柱
形通孔直径为5cm。中子探测器采用3he正比计数器，气压为10个大气压，3he气体的密度为1.89427
×
10-3
g/cm3，探测器直径为5cm。
[0076]
利用蒙特卡洛模拟程序模拟软件建立了如图所示的蒙特卡洛模型，如图4所示，锥形慢化体中设计了8个球形3he正比计数器。一束单能的平面源垂直入射锥形慢化体，源定义为矩形的面源，其边长大小与锥形慢化体的下底面直径和高度相同。使用带有endf/b-vi-0中子截面库mcnpx蒙特卡洛辐射输运代码计算了不同水层组合下的响应函数
[0077]
mcnpx中采用f4卡与fm4卡联合使用记录中子与3he发生的(n,p)反应率，其对应格式为fm4 c mr，其中m代表要记录的栅元中材料(3he)；r为通道号，(n,p)反应的通道号为103；c代表归一化因子。
[0078]
c＝-v
he
·s[0079]
使用fm4卡后，fm4卡所得出的结果即为中子注量响应。此外，中子与物质的相互作用过程中，弹性散射作用发生的同时还以一定概率伴随着非弹性散射作用。因此，mcnpx代码中的中子热化处理考虑了s(α，β)截面库的使用(水：mtn lwtr.01，聚乙烯：mtnpoly.01)。
[0080]
模拟的8个中子探测器的响应函数如图5所示。探测器求解的中子能谱如图6所示。未加辅助材料的锥形慢化体在中子能量为10-9
mev～20mev中子具有较好的响应效果。
[0081]
实施例四、添加辅助材料利用中子能谱测量方法测量中子能谱
[0082]
按照如图7所示的方式安装探测器。添加辅助材料厚度分别为1cm、2cm、3cm铅，辅助材料高度为15cm，距离锥形慢化体底部10cm，锥形慢化体尺寸为：下底直径为40cm，上底直径为7cm，高度为40cm，锥形慢化体材料采用密度为0.95g/cm3。圆柱形通孔直径为5cm。中子探测器采用3he正比计数器，气压为10个大气压，3he气体的密度为1.89427
×
10-3
g/cm3，探测器直径为5cm。
[0083]
利用蒙特卡洛模拟程序模拟软件建立了如图所示的蒙特卡洛模型，如图8所示，锥形慢化体中设计了8个球形3he正比计数器。一束单能的平面源垂直入射锥形慢化体，源定义为矩形的面源，其边长大小与锥形慢化体的下底面直径和高度相同。使用带有endf/b-vi-0中子截面库mcnpx蒙特卡洛辐射输运代码计算了不同水层组合下的响应函数
[0084]
mcnpx中采用f4卡与fm4卡联合使用记录中子与3he发生的(n,p)反应率，其对应格式为fm4 c mr，其中m代表要记录的栅元中材料(3he)；r为通道号，(n,p)反应的通道号为103；c代表归一化因子。
[0085]
c＝-v
he
·s[0086]
使用fm4卡后，fm4卡所得出的结果即为中子注量响应。此外，中子与物质的相互作用过程中，弹性散射作用发生的同时还以一定概率伴随着非弹性散射作用。因此，mcnpx代码中的中子热化处理考虑了s(α，β)截面库的使用(水：mtn lwtr.01，聚乙烯：mtnpoly.01)。
[0087]
利用蒙特卡洛模拟程序模拟软件模拟的8个中子探测器的响应函数如图9-11所示，添加辅助材料的锥形慢化体在中子能量为10-9
mev～1000mev中子具有较好的响应效果。
[0088]
综上所述，本发明提供了一种便携锥形多球中子能谱测量系统，所述的便携单锥形多球中子能谱测量系统避免了常规多球中子谱仪球球干扰问题；也避免了测量过程重复进入辐射场所更换慢化球的目的；本发明所述的便携单锥形多球中子能谱测量系统，未加辅助材料的锥形慢化体在中子能量为10-9
mev～20mev中子具有较好的响应效果；添加辅助材料的锥形慢化体在中子能量为10-9
mev～1000mev中子具有较好的响应效果；所述的便携
单锥形多球中子能谱测量系统操作简单，一个慢化球数量代替整个常规多球中子谱仪系统，极大地减小了谱仪的重量，增加了谱仪的便携性。

技术特征：
1.一种便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的系统包括锥形慢化体1、圆柱形通孔4、中子探测器2和数据分析处理系统，所述的锥形慢化体1内部设置有圆柱形通孔4，所述的圆柱形通孔4内设置有中子探测器2，所述的中子探测器2至少设有1个，所述的数据分析处理系统用于接收并处理中子探测器中的信号。2.如权利要求1所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的锥形慢化体1内靠近圆柱形通孔4处设置有辅助材料3。3.如权利要求1所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的锥形慢化体1由富氢材料制备得到。4.如权利要求2所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的富氢材料为聚乙烯、石蜡或水。5.如权利要求2所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的富氢材料为水。6.如权利要求1所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的圆柱形通孔4位于锥形慢化体1的中心轴线。7.如权利要求1所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的中子探测器2为球形中子探测器。8.如权利要求1所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的辅助材料3的成分为铅、铁或钨。9.如权利要求1所述的便携锥形多球中子能谱测量系统，其特征在于，所述的中子探测器2充满圆柱形通孔4。10.如权利要求1所述的便携式锥形多球中子能谱测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：构成了m种不同慢化厚度结构，在10-9
mev～20mev中子能量范围的每个能量量级内选取n个离散能量值，利用蒙特卡洛模拟软件得到m种不同慢化厚度下的响应函数值，最终形成下式中响应函数矩阵；其中1～m代表m种不同慢化厚度，i代表选取的能量离散数；如果入射中子的能量最大为e
max
，入射中子能量最小为e
min
，那么其注量可以如下定义如下：其中，n
d
是探测器的计数，r
φ
(e)是指探测器的响应函数，即单位中子注量在探测器内引起的反应数，φ(e)所求中子能谱；对上述公式进行离散化，得到如下公式：
中子探测器测量得到的m行一列矩阵如下式：将公式(1)和公式(4)带入公式(3)得到：通过反卷积的方式求得的即为所求的中子能谱。

技术总结
本发明涉及核科学技术领域，具体涉及一种便携锥形多球中子能谱测量系统及其测量方法，所述的系统包括锥形慢化体、圆柱形通孔、中子探测器和数据分析处理系统，所述的锥形慢化体内部设置有圆柱形通孔，所述的圆柱形通孔内设置有中子探测器，所述的中子探测器至少设有1个，未加辅助材料的系统在中子能量为10-9


技术研发人员：王权晓 乔宇洁 方开洪 王强 张硕
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/9/5