D-T中子與聚乙烯材料相互作用的次級(jí)中子角度譜實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在熱核武器和聚變能源研究中，D-T反應(yīng)是主要的反應(yīng)模式。因此，由D-T反應(yīng)產(chǎn)生的中子和次級(jí)中子與物質(zhì)的作用機(jī)制和測(cè)量方法是中子輸運(yùn)學(xué)研究的重要課題。中子角度譜，即中子能量分布與角度分布，是理解與核工程有關(guān)的大體積系統(tǒng)中中子行為的最基本的物理量之一。在聚變反應(yīng)堆或聚變-裂變混合堆包層中子學(xué)設(shè)計(jì)中，次級(jí)中子的角分布在中子輸運(yùn)計(jì)算中起重要的作用，與裂變反應(yīng)堆中的中子行為相比，由于經(jīng)大體積輕核材料作用后D-T聚變中子的各向異性散射比較強(qiáng)，在中子

2、輸運(yùn)計(jì)算中必須考慮次級(jí)中子的角度分布。這種宏觀物體的次級(jí)中子角分布與微觀物體的有所不同，這是因?yàn)樵诤暧^物體中高能中子會(huì)被多次散射，對(duì)評(píng)價(jià)截面數(shù)據(jù)更加敏感。此外，角分布不僅與散射核素、中子能量有關(guān)，還與物體的宏觀尺寸和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，無(wú)論是對(duì)于核工程設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)核數(shù)據(jù)庫(kù)，中子學(xué)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法還是物理建模的積分檢驗(yàn)，相關(guān)材料中子角度譜的測(cè)量都具有極其重要的意義。這就迫切要求我們建立一套合適的中子能譜測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法，以滿足對(duì)相關(guān)材料

3、的中子學(xué)基準(zhǔn)檢驗(yàn)的要求。
　　 聚乙烯是中子物理中重要的一種屏蔽和慢化材料，它主要由C、H元素組成，其核反應(yīng)截面等數(shù)據(jù)已經(jīng)相當(dāng)完善，利用大體積的聚乙烯樣品進(jìn)行中子學(xué)積分實(shí)驗(yàn)不但可以用于檢驗(yàn)中子學(xué)輸運(yùn)理論、計(jì)算方法、核數(shù)據(jù)庫(kù)以及模擬程序，還可用于對(duì)建立的中子學(xué)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)作實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。本論文主要研究了利用反沖質(zhì)子法，測(cè)量D-T中子與聚乙烯材料作用的次級(jí)中子角度譜的實(shí)驗(yàn)方法。在測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)分析處理方面分別開(kāi)展了如下研究工作。

4、r>　　 測(cè)量技術(shù)上：(1)利用r-r符合技術(shù)，實(shí)驗(yàn)上測(cè)定液閃探測(cè)器(5.08cm×5.08cm的BC50IA型)的康普頓反沖電子譜的康普頓邊的準(zhǔn)確位置(0.90±0.05處)，并獲得了探測(cè)器的能量分辨函數(shù)。同時(shí)，對(duì)利用康普頓反沖電子譜的不同位置（峰值處、半高度處和康普頓邊的準(zhǔn)確位置處）作能量刻度的能量線性結(jié)果進(jìn)行了分析比較，確認(rèn)了以康普頓邊的準(zhǔn)確位置做能量刻度得到最好的能量線性，減少了在能譜測(cè)量過(guò)程中對(duì)中子有效測(cè)量閾值設(shè)置和能量刻度

5、的不確定性，提高了實(shí)驗(yàn)精度。(2)利用含25℃f自發(fā)裂變中子源的快裂變室，采用飛行時(shí)間技術(shù)和離線數(shù)據(jù)分析方法對(duì)液閃探測(cè)器的相對(duì)探測(cè)效率和響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的研究，對(duì)以等效電子能量為單位的脈沖幅度譜轉(zhuǎn)換為反沖質(zhì)子能譜的探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)在0.5MeV～5MeV能段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)確定。(3)對(duì)基于上升時(shí)間法和過(guò)零法的兩套n-y脈沖形狀甄別電子學(xué)單元的n-y甄別性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較研究，其中上升時(shí)間法n-y甄別單元由商品化的脈沖形狀甄別器ORTEC

6、-552實(shí)現(xiàn)，過(guò)零法n-y甄別單元由一系列ORTEC電子學(xué)插件搭建而成。經(jīng)過(guò)比較，過(guò)零法n-y甄別單元具有更好的n-y甄別性能，為選擇合適的n-y甄別方法建立中子能譜測(cè)量系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，利用閃爍探測(cè)器中光電子發(fā)射過(guò)程的時(shí)間統(tǒng)計(jì)模型獲得了基于脈沖形狀粒子甄別的本征n-y甄別性能，為進(jìn)一步開(kāi)展n-y甄別研究提供了理論指導(dǎo)。(4)在中子產(chǎn)額的監(jiān)測(cè)上，除用傳統(tǒng)的伴隨a粒子法進(jìn)行絕對(duì)監(jiān)測(cè)外，還利用3He長(zhǎng)計(jì)數(shù)器進(jìn)行了相對(duì)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，基于

7、LabVlEW虛擬儀器編程平臺(tái)和GPIB儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸總線協(xié)議，利用ORTEC-974定時(shí)器/計(jì)數(shù)器開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)分時(shí)計(jì)數(shù)虛擬儀器系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中中子產(chǎn)額的變化和加速器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　 數(shù)據(jù)分析處理上：(1)基于歐洲核子中心(CERN)開(kāi)發(fā)的ROOT數(shù)據(jù)處理框架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了針對(duì)SPARROW多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的離線數(shù)據(jù)分析程序，完成了n-y脈沖形狀甄別譜和脈沖幅度譜二維信息中Y射線事例的離線扣除，避免了傳

8、統(tǒng)的在線扣除y射線事例中因閾值選擇不當(dāng)而造成的大量中子事例的丟失或大量y射線事例的混入。經(jīng)對(duì)源中子數(shù)進(jìn)行歸一化以后，完成了分能段測(cè)量中高、低兩能段反沖質(zhì)子譜的拼接。(2)針對(duì)①5.08×5.08cm的BC50IA型液閃探測(cè)器測(cè)量的反沖質(zhì)子譜到中子能譜的轉(zhuǎn)換，首次利用MatLab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立了一個(gè)線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用05S程序計(jì)算的相同尺寸的液閃探測(cè)器0.25MeV--16MeV能量間隔為0.25MeV的單能中子的響應(yīng)函數(shù)作為訓(xùn)練樣

9、本完成了對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，通過(guò)MC數(shù)據(jù)和利用Am-Be中子源、D-T中子源測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解譜性能進(jìn)行了仔細(xì)的測(cè)試，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將MonteCarlo計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)量的單能或連續(xù)能量分布的探測(cè)器響應(yīng)，準(zhǔn)確的反解到入射中子能譜，從而獲得了從測(cè)量的反沖質(zhì)子能譜中求解入射中子能譜的一種新的方法。
　　 在此基礎(chǔ)上，利用液閃探測(cè)器BC50IA、SPARROW多參數(shù)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和相應(yīng)的電子學(xué)插件建立了一套中子能譜測(cè)量系

10、統(tǒng)，測(cè)量了D-T中子穿過(guò)尺寸為9×100×100(cm)和18×100×100(cm)的聚乙烯平板分別在O度、20度、40度和0度、20度、40度、60度0.5-15MeV的次級(jí)中子能譜。D-T中子能量約為15MeV，由中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所PD-300Cockcroft-Walton加速器通過(guò)T(d，n)4He反應(yīng)產(chǎn)生。為保證探測(cè)器的能量線性，測(cè)量分高、低兩個(gè)能段分別完成，測(cè)量的兩段反沖質(zhì)子譜能量分別為2MeV-15Me

11、V和0.5MeV～4MeV，兩段譜在2MeV～4MeV之間兩者最接近的地方進(jìn)行拼接。與之前完成的類(lèi)似實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比，在各種測(cè)量情況下，本底所占的份額和不確定度都得到了顯著的降低，特別是3MeV以下的低能段，同時(shí)，測(cè)量的有效中子下閡也從1MeV擴(kuò)展到0.5MeV。
　　 利用MCNP5蒙卡計(jì)算程序?qū)φ麄€(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)采用全模型和簡(jiǎn)化模型分別進(jìn)行了MC計(jì)算，并對(duì)MC計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的C/E比進(jìn)行了細(xì)致的比較分析。通過(guò)本論文研究工作