CN107247286B - 一种快中子能谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快中子能谱测量系统及方法。该测量系统主要包括靶材料和伽马谱仪，待测中子束与靶材料内核素反应产生具有多普勒展宽效应的特征伽马射线，通过测量并分析展宽伽马的脉冲幅度谱给出待测中子能谱。本发明简便易行，将中子能谱测量转化为伽马能谱测量，测量精度高。

Description

一种快中子能谱测量系统及方法

技术领域

本发明属于辐射探测领域，具体涉及一种快中子能谱的测量系统及方法。

背景技术

中子能谱即中子按能量的强度分布，其准确测量是辐射探测领域一项关键技术，也是一项难题。常见的中子能谱测量方法基于Bonner球探测器或液体闪烁体探测器实现，但精度不高，特别是Bonner球探测器需加工一系列具有不同厚度慢化体，系统复杂。

发明内容

为了克服现有技术测量精度不高、系统复杂等问题，本发明提供了一种针对快中子能谱的新的测量系统及方法。

本发明基于常规伽马谱仪，将中子能谱测量转化为伽马能谱测量，其精度较高，且系统简单易行。基本原理是：某些轻核(低原子序数核，如¹²C)与中子发生非弹性散射反应，其在与中子碰撞后被激发并获得一定的初始速度，被激发的反冲核在物质中运动并逐渐减速，如果激发核寿命较短，在其运动未停止前便退激释放出特征伽马射线E₀，探测器测得的该伽马射线的能量E_γ会因多普勒效应而改变，即其中β是激发核的运动速度与光速的比值，是激发核运动方向与探测器轴线的夹角(附图2中x方向)。由于激发核运动方向具有随机性，因此探测器测量到的伽马能谱是一定能量区间内的多普勒展宽谱，区间边界和谱的形状受到激发核相对速度β的影响，而β取决于入射中子的能量，因此通过分析多普勒展宽谱的形状可以获得入射中子的能量信息。另一方面，多普勒展宽效应也受几何位置影响(影响θ角的取值)，因此可以改变几何条件，如改变探测器轴线与入射中子方向的夹角来获得多组伽马能谱数据，从而更高精度地求解出入射中子能谱信息。

本发明具体给出如下解决方案：

该快中子能谱测量系统，主要包括待测中子源、靶材料、伽马谱仪和数据采集处理系统，所述靶材料设置于入射中子方向上且空间位置固定，靶材料中核素与快中子发生非弹性散射能够产生具有多普勒展宽效应的特征伽马射线；所述伽马谱仪的探测器与靶材料的连线方向即探测器轴线，探测器轴线与入射中子方向夹角在0°≤θ＜180°范围内探测器位置可调；待测中子源与靶材料之间、靶材料与探测器之间分别设置有准直屏蔽体；所述数据采集处理系统用于根据特征伽马射线的多普勒展宽能谱计算待测中子能谱。

在以上方案的基础上，本申请还进一步作了如下优化：

上述靶材料采用石墨。待测中子能量范围取决于靶材料内核素的中子反应阈能。靶材料为石墨时，待测中子为能量在5MeV以上的快中子。

上述探测器采用高纯锗谱仪。伽马谱仪为高纯锗等具有较高能量分辨率的谱仪，其能量分辨率和探测效率易于标定。

上述探测器的典型测量位置包括0°位置和90°位置。

利用上述快中子能谱测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)实验标定或者模拟计算得到系统响应函数矩阵，即一系列不同能量的单能中子与所述靶材料反应，伽马谱仪探测到的特征伽马射线的多普勒展宽能谱H_j(E)，其中j＝1,2,...,n分别对应能量为E_j的单能中子；

2)待测中子束测量：在与步骤1)中相同的实验布局下，采用同一伽马谱仪测量待测中子束照射所述靶材料时产生的特征伽马射线的多普勒展宽能谱H(E)；

3)根据步骤1)得到的H_j(E)和步骤2)得到的H(E)，求解方程组得到待测中子能谱分布X＝(x₁,x₂,...,x_n)并归一化，其中x_j对应能量区间E_j的中子强度分布。

进一步，还可包括步骤4)：

改变探测器轴线与入射中子轴线夹角θ，重复步骤2)、3)，得到不同角度θ下的系统响应函数矩阵H^θ _j(E)以及待测中子束对应的多普勒展宽能谱H^θ(E)，从而得到新的方程组给出更高精度的解谱结果。

本发明的有益效果简述如下：

1、本发明将中子能谱转化为伽马能谱测量，即通过测量和分析中子与某些核素发生非弹性散射产生的特征伽马射线的多普勒展宽能谱可以获得入射中子的能谱信息，由于伽马谱仪的分辨率远远高于中子谱仪，因此本发明具有较高的测量精度。同时，由于本发明基于中子的非弹性散射反应，因此适于快中子能谱测量。

2、本发明中的测量系统无需采用复杂的、需要偏转磁铁和真空条件的中子散射谱仪，而是基于常用的伽马谱仪，布局简单，易于实现。

3、伽马相对于中子，其辐射屏蔽较为容易。

附图说明

图1为本发明测量系统原理示意图；

图2为伽马射线发生多普勒展宽效应原理图；

图3为探测器轴线与5～8MeV入射中子束夹角呈90度时对应的系统响应；

图4为探测器轴线与5～8MeV入射中子束夹角呈0度时对应的系统响应。

附图标记：1-中子束，2-准直屏蔽体，3-靶材料，4-伽马谱仪的探测器，5-探测器供电端，6-信号传输，7-数据采集处理系统。

具体实施方式

设待测中子能量范围为E₀～E_n，根据测量精度需求及系统分辨将其划分为若干能量区间[E₀,E₁),[E₁,E₂),...,[E_n-1,E_n],每个区间[E_j-1,E_j]的能量用E_j近似，强度分布用x_j表示(j＝1,2,...,n)，则X＝(x₁,x₂,...,x_n)即为所求中子能谱分布。模拟计算或者实验测量入射中子能量依次取E_j时与靶核反应产生的特征伽马射线在伽马谱仪中形成的多普勒展宽能谱，得到系统响应函数矩阵H_j(E_γ)(j＝1,2,...,n)。伽马脉冲幅度分布H_j(E_γ)是随伽马射线能量E_γ的函数，其在伽马谱仪的脉冲多道分析器中以H_i,j的形式给出，i为道址对应不同的伽马能量E_γ，i＝1对应E_γ的最小值，i＝m对应E_γ的最大值，由此可得m×n维的响应矩阵H_mn。测量待测中子束照射下靶材料的多普勒展宽特征伽马谱H_m，求解方程组即可得到待测中子能谱X，方程组具体形式如下。

由于伽马谱仪分辨率较高，即相邻道址i对应的能量间隔很小，对应的谱形变化也很小，同时受到统计涨落的影响也很大，导致方程求解困难。因此，可根据系统精度，重新划分伽马谱的能量间隔，即重新设定道址数m，便于方程求解。另一方面，不同能量中子对应的多普勒展宽谱形状一般比较相似，中子能量相差较小时，对应的伽马谱形差异也很小，即导致方程组系数较为接近，给求解带来困难。对于这种情况，可以改变探测器轴线与入射中子方向夹角θ，而其他条件不变，测量不同角度θ下的系统响应矩阵H^θ _mn以及待测中子束对应的多普勒展宽特征伽马谱H^θ _m(E)，得到新的方程组θ＝1,2,...)。由于不同角度下测量到的多普勒展宽伽马差异较大，从而可有效解决方程系数接近带来的求解困难，更高精度地给出解谱结果。

下面进一步结合具体实施例，给出测量原理及方法。设待测中子束能量范围为5MeV-8MeV，靶材料选作石墨，探测器为高纯锗谱仪，布局选取θ＝0和θ＝90°两个角度。如附图2所示，入射中子束沿x轴方向，以靶核粒子(¹²C)位置为原点，中子与靶核碰撞后，靶核处于激发态(¹²C*)，且获得运动速度v，¹²C*核退激时释放出4438keV的特征伽马射线，若其射线发射方向指向探测器入射面，则该伽马射线可能被探测器测量到，设其方向与速度方向夹角为则探测器测到的伽马射线能量为其中E₀＝4438keV，β＝v/c，c为光速。由于中子与靶核碰撞时，靶核的运动方向只能在中子入射方向前向分布，即附图2中靶核只能向y轴右侧运动，其速度方向与x轴夹角范围在-90°～90°。若探测器轴线与中子入射方向呈90度放置(附图2中y轴负向)，则靶核的运动方向相对于探测器轴向在0～180°内分布，对应取值为-1～1，此时特征伽马射线E₀被对称地展宽；若探测器轴线与中子入射方向呈0度放置(附图2中x轴正向)，则靶核的运动方向相对于探测器轴向在0～90°内分布，对应取值为0～1，此时特征伽马射线E₀仅沿正向展宽；附图3和图4分别给出了这两种情况下得到的多普勒展宽伽马脉冲幅度谱的模拟计算结果，从而得到了两组θ角下的系统的响应函数矩阵，图中横坐标为道址，纵坐标为归一化幅度，图中曲线由上至下依次对应中子能量为5MeV，6MeV，7MeV和8MeV的情形，可以看出计算结果与分析一致。将待测中子能量分为n个区间，每个区间内的强度分布用x_j表示(j＝1,2,...,n)，即待测中子能谱X＝(x₁,x₂,...,x_n)。分别按照附图3和附图4中的方法计算两种角度下每个区间单能中子对应的多普勒展宽伽马脉冲幅度谱H^θ _j(E)，将所得脉冲伽马幅度谱分为m个区间，每个区间内的强度分布由脉冲幅度谱给出，记为H^θ _ij,(i＝1,2,...,m)，从而得到系统的响应矩阵H^θ _mn。进一步，测量相同条件下靶材料在待测中子束照射下产生的特征伽马射线的多普勒展宽能谱H^θ _m，采用迭代法求解如下方程组，即可得到待测中子能谱分布X。

Claims (7)

1.一种快中子能谱测量系统，其特征在于：包括待测中子源、靶材料、伽马谱仪和数据采集处理系统，所述靶材料设置于入射中子方向上且空间位置固定，靶材料中核素与快中子发生非弹性散射能够产生具有多普勒展宽效应的特征伽马射线；所述伽马谱仪的探测器与靶材料的连线方向即探测器轴线，探测器轴线与入射中子方向夹角在0°≤θ＜180°范围内探测器位置可调；待测中子源与靶材料之间、靶材料与探测器之间分别设置有准直屏蔽体；所述数据采集处理系统用于根据特征伽马射线的多普勒展宽能谱计算待测中子能谱。

2.根据权利要求1所述的快中子能谱测量系统，其特征在于：所述靶材料采用石墨。

3.根据权利要求1所述的快中子能谱测量系统，其特征在于：所述探测器采用高纯锗谱仪。

4.根据权利要求1所述的快中子能谱测量系统，其特征在于：所述探测器的典型测量位置包括0°位置和90°位置。

5.利用权利要求1所述的快中子能谱测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)实验标定或者模拟计算得到系统响应函数矩阵，即一系列不同能量的单能中子与所述靶材料反应，伽马谱仪探测到的特征伽马射线的多普勒展宽能谱H_j(E)，其中j＝1,2,...,n分别对应能量为E_j的单能中子；

2)待测中子束测量：在与步骤1)中相同的实验布局下，采用同一伽马谱仪测量待测中子束照射所述靶材料时产生的特征伽马射线的多普勒展宽能谱H(E)；

3)根据步骤1)得到的H_j(E)和步骤2)得到的H(E)，求解方程组得到待测中子能谱分布X＝(x₁,x₂,...,x_n)并归一化，其中x_j对应能量区间E_j的中子强度分布。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：还包括步骤4)：

改变探测器轴线与入射中子轴线夹角θ，重复步骤2)、3)，得到不同角度θ下的系统响应函数矩阵H^θ _j(E)以及待测中子束对应的多普勒展宽能谱H^θ(E)，从而得到新的方程组给出更高精度的解谱结果。

7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：对于能量在5MeV以上的快中子，所述靶材料采用石墨。