CN108562930A - 一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统 - Google Patents

一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，可用于狭小空间强辐照环境的高能、强流中子辐射场的能谱、通量在线测量，该测量系统包括中子探头、电子学系统和能谱分析系统，其中，所述中子探头采用复合探测结构，复合探测结构分为四个中子灵敏区，其中，每个区域用金属壁分隔，每个区域内部涂覆或填充不同的中子灵敏材料，中能中子灵敏的区域可通过改变内填充材料组分调控中子能量响应峰值能区。在能谱分析系统中，采用特征寻峰的宽能谱解谱方法。本发明结构新颖、中子探头小巧紧凑，可在狭小空间进行实时测量，实现中子通量及能谱实时精确测量。本发明具有测量精度高、不需要预置谱、抗扰动能力强的特点。

Description

一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统
技术领域
本发明涉及中子能谱在线测量分析领域，特别是适用于狭小空间强辐照环境的高能强流辐射场的中子能谱在线测量系统，可用于加速器及反应堆的能谱、通量在线实时测量。
背景技术
中子能谱对于中子核数据的研究、反应堆的设计和运行、辐射屏蔽和防护等有着重要意义和实用价值。
目前常用的中子能谱测量方法有飞行时间法、多球谱仪法、阈探测器法、反冲质子法及核反应法。
飞行时间法常利用加速器中子源，需要较远的飞行距离；多球谱仪法通常由多个不同厚度慢化体的中子探测器组成一个能谱测量系统，由于采用聚乙烯慢化体，体积庞大，不适合于狭小空间环境；阈探测器法通常采用多个不同阈值的活化片，不能实现在线测量和分析；反冲质子法同样需要较大的测量空间。
对于第四代的快中子反应堆、加速器驱动的反应堆及聚变堆，一些参数测定需要知道中子能谱，而该类测量环境通常较为恶劣，强辐照、探测器布置空间狭小、高能强流中子辐射场。
在2013年原子能科学技术杂志中刊登的“中国实验快堆中子能谱测量实验研究”文章中，是用活化法对钠冷快堆的中子能谱进行测量的，采用了无源的多种活化片进行中子积分测量，通过解谱获得中子能谱，但是没有办法给出在线中子通量等信息。
中国专利文献CN102866416A披露了一种连续中子谱实时探测系统，其采用热中子灵敏探测器，体积庞大，无法满足快堆高温及空间狭小环境的快中子能谱在线分析。美国专利文献US4804514A披露了一种核裂变过程中中子剂量测定方法和装置，采用热中子灵敏探测器测量热中子，采用快中子灵敏探测器测量快中子，但不涉及解谱，无法获得辐射场中子能谱。
对于D-D和D-T的聚变核反应获得的中子能量分别为2.5MeV和14MeV，在2012年核电子学与探测技术杂志中刊登的“ITER中子通量监测器的优化计算”文章中，虽然记载了由双裂变探测器和包裹探测器的慢化层/屏蔽层组成的两种探测器类型，但是无法进行在线能谱分析，因慢化体采用聚乙烯材料，不适合高温条件使用。
中国专利文献CN106908830A披露了一种强辐射高温条件下测量中子通量的测量系统，其采用了一个热中子灵敏的235U探测器和一个快中子灵敏的238U探测器进行能谱分析，其能谱分析方法采用“少道解谱法”，由于探测器较少，必然需要预置谱，即对辐射场的谱形有先验知识，抗扰动能力弱，对未知谱形的辐射场测量存在困难，且采用单一的裂变电离室探测技术，需要进行计数修正，难以达到高的测量精度。
由此可见，针对狭小空间强辐照环境的中子能谱在线测量，上述公开报道的技术方案是通过单个计数器的读数或多个计数器直接给出中子通量的大小，或者是需要了解辐射场能谱的先验知识，对于一些能谱变化或存在扰动的辐射场能谱则难以给出精确结果。
本发明采用复合探测结构，利用不同区域多种反应类型的中子灵敏材料，通过参数设计使每个区域的能量响应峰值位于不同能区，改变中子灵敏材料组分调控峰值响应能区，可实现辐射场的能谱测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，以提高狭小空间的能谱测量精度和抗扰动能力。
为此，本发明提供了一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，该系统包括：中子探头、电子学系统和能谱分析系统，其中，所述中子探头采用复合探测结构，其中子灵敏区分为四个区域，每个区域用金属壁分隔，每个区域内部涂覆或填充不同的中子灵敏材料，一个热中子灵敏的区域，一个低能中子灵敏的区域，一个中能中子灵敏的区域，一个快中子灵敏的区域，中能中子灵敏的区域可通过改变内填充材料组分调控中子能量响应峰值能区。
进一步地，上述热中子灵敏的区域的金属壁上涂覆235U材料、或239Pu材料、或10B材料。
进一步地，上述快中子灵敏的区域的金属壁上涂覆238U材料或232Th材料。
进一步地，上述中能中子灵敏的区域金属壁内部填充塑料闪烁材料，在塑料闪烁材料内增加一定掺杂调控中子能量响应峰值能区；掺杂是Pb材料或Gd材料将中能区中子能量下限调节到若干keV，金属壁外覆盖如镉材料吸收热中子，避免热中子产生干扰。
进一步地，上述低能中子灵敏的区域金属壁上涂覆235U材料、或239Pu材料、或10B材料，金属壁外覆盖如镉材料吸收热中子，避免热中子产生干扰。
进一步地，上述电子学系统对四个区域信号分别采集，共输出四路信号；其中三个区域电子学系统为电荷收集型，采用电流转频率型电子学单元，电子学单元通过铠装电缆连接到中子灵敏区域，使得电子学单元免受辐照，一个区域电子学系统为光子收集型，采用光纤将信号导出至光电倍增管，中子与塑料闪烁体作用产生的光信号通过光纤导入至光电倍增管，并经由后端电子学进行信号采集。
进一步地，上述能谱分析系统对四路信号进行在线采集，并进行在线管理与分析，根据中子的慢化规律和四路信号的数据的比例关系，确定宽能谱中子特征峰的峰位，通过曲线拟合后实现宽能谱实时测量。
本发明的有益效果：
(1)本发明的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统采用分区中子探头，内部不同区域响应峰值位于不同能区，每个能区信号分别输出，记录信号携带了这个能区的大量信息，对中子能谱进行直接探测，避免采用外层慢化体，使得中子探头结构紧凑小巧，解决了狭小空间环境难以实现能谱在线测量难题。
(2)在本发明的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统中，中子探头采用复合探测结构，不同区域内中子灵敏材料与中子发生反应类型不同，所含信息量可以满足能谱分析的需要，避免了采用少量探测器、单一探测结构测量时导致的信息量少，能谱测量误差大，且需要预置谱，抗扰动能力弱，对扰动产生的中子能谱变化不灵敏，难以实现未知辐射场测量的问题。
(3)在本发明的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统中，中能中子灵敏的区域内部进行一定的掺杂，可以改善传统塑料闪烁材料在0.5MeV以下能区中子响应不灵敏，将能量下限拓展至keV能区，利用掺杂的组分含量不同，可调控中子能量响应峰值的能区，实现对中子能谱响应进行调控，提高能谱解析精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图，用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为根据本发明的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统的结构示意图。
附图标记说明
1、中子探头； 2、电子学系统；
3、能谱分析系统； 11、热中子灵敏的区域；
12、低能中子灵敏的区域； 13、中能中子灵敏的区域；
14、快中子灵敏的区域； 4、堆芯。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
针对现有在线能谱测量技术通常采用不同厚度慢化的方式不适用于狭小辐照空间环境的能谱在线测量问题，本发明将小巧紧凑中子探头进行分区获取多路信号，使每路信号能量响应峰值位于不同能区，可在狭小辐照环境进行直接中子能谱测量；针对现有中子探头采用单一探测结构存在的信息量不足、需要预置谱、抗扰动能力弱、解谱过程需要修正、测量精度不够的问题，本发明中子探头采用复合探测结构，利用多种不同反应类型中子灵敏材料，提高能谱测量精度和抗扰动能力；通过对中能中子灵敏区域进行一定掺杂，实现中能中子峰值响应能区调控，改善测量能谱解析精度。
如图1所示，本发明的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，该系统包括中子探头1、电子学系统2和能谱分析系统3，其中，所述中子探头1采用复合探测结构，其中子灵敏区分为四个区域，每个区域用金属壁分隔，每个区域内部涂覆或填充不同的中子灵敏材料，一个热中子灵敏的区域11，一个低能中子灵敏的区域12，一个中能中子灵敏的区域13，一个快中子灵敏的区域14。所述中能中子灵敏的区域13可通过改变内填充材料组分调控中子能量响应峰值能区。中子探头测量环境为堆芯4等狭小空间。
优选地，所述热中子灵敏的区域11的金属壁上涂覆235U材料、或239Pu材料、或10B材料。如235U材料与中子发生核裂变反应，其裂变截面在热中子区域最大，其能量响应峰值位于热中子区。
优选地，所述低能中子灵敏的区域12金属壁上涂覆10B材料、或235U材料、或239Pu材料，金属壁外覆盖如镉材料吸收热中子，避免热中子产生干扰。如10B材料与中子能够发生10B(n，α)反应，其产生的α粒子在工作气体中电离产生电荷，通过外层覆盖镉材料吸收热中子，其能量响应峰值位于低能中子区。
优选地，所述中能中子灵敏的区域13金属壁内部填充塑料闪烁材料，在塑料闪烁材料内增加一定掺杂调控中子能量响应峰值能区，掺杂是Pb材料或Gd材料将中能区中子能量下限调节到若干keV，金属壁外覆盖如镉材料吸收热中子，避免热中子产生干扰。中子与塑料闪烁材料发生(n，p)核反冲反应，一般利用反冲质子在塑料闪烁体中产生荧光，但能量较低的中子在闪烁体中产生的荧光光子数目小，因此通常塑料闪烁体的中子探测能量下阈在0.5MeV，通过在塑料闪烁材料内掺杂Pb材料或Gd材料可以将能量下阈调控到keV，原因是中子与Pb材料以及与Gd材料发生的(n，α)反应在keV能区截面较大，通过外层覆盖如镉材料可以吸收掉不需要的热中子，因而使得其响应峰值在中能区，峰值能区位置通过掺杂材料的种类和含量调控。
优选地，所述快中子灵敏的区域14的金属壁上涂覆238U材料或232Th材料。238U材料或232Th材料与中子发生核裂变反应，以上材料与中子反应阈值较高，其反应阈在MeV以上，因而其响应峰值在快中子能区。
其中，所述电子学系统2对四个区域信号分别采集，共输出四路信号；其中三个区域对应的电子学系统为电荷收集型，采用电流转频率型电子学单元，电子学单元通过铠装电缆连接到中子灵敏区域，使得电子学单元免受辐照，另一个区域对应的电子学系统为光子收集型，采用光纤将信号导出至光电倍增管，中子与塑料闪烁体作用产生的光信号通过光纤导入至光电倍增管，并经由后端电子学进行信号采集。由于不同区域中子灵敏材料与中子反应类型不同，核裂变反应产生的是中性的裂变碎片，与10B发生核反应产生α粒子，与塑料闪烁体发生核反冲产生反冲质子，其电离产生的电信号脉冲大小存在较大差异，且其带电粒子电荷数不同，通过脉冲幅度甄别技术将各路信号甄别出来，减少信号之间的相互干扰。
其中，所述能谱分析系统3包括硬件固件和嵌入式IP软核，其中，硬件固件采集从电子学系统2输出的脉冲信号，嵌入式软核采用解谱算法进行在线中子解谱，解谱算法如下：
利用蒙特卡洛计算方法预先计算获得四个区域的能量响应矩阵，将响应矩阵存储在硬件固件的寄存器中，四路信号读数作为解谱算法的输入，读数中的所包含的信息量将直接影响中子解谱的结果。如果信号偏少，将缺乏关键能区信息，如果信号不当，将出现信息冗余，仍然缺乏关键信息。上述采集的四路信号，其响应峰值位于不同能区，通过四路信号的比例关系，获得中子能谱特征的曲线走向，并把宽能谱进行能量分群的分段曲线拟合，根据中子在测量环境的慢化规律和四个区域的能量响应矩阵，基于能谱分群加权的最少二乘法的迭代算法，进行特征寻峰和能谱分析计算，设置的目标值达到后停止迭代，输出宽能谱的计算结果，等待下一次的四路信号输出。解谱过程中，所谓的分群加权即为各路信号对中子能谱的信息贡献度。
实施例
本实施例所述的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，该系统包括中子探头、电子学系统和能谱分析系统，所述中子探头采用复合探测结构，直径不超过2cm，其中子灵敏区分为四个区域，每个区域用金属壁分隔，每个区域内部涂覆或填充不同的中子灵敏材料，一个热中子灵敏的区域，一个低能中子灵敏的区域，一个中能中子灵敏的区域，一个快中子灵敏的区域，中能中子灵敏的区域可通过改变内填充材料组分调控中子能量响应峰值，四个区域能量响应峰值位于不同能区，因而可根据计算的探测器响应矩阵并经过解谱得到中子能谱。
所述热中子灵敏的区域的金属壁上涂覆235U材料，其涂层含量在1mg，其能量响应峰值位于热中子能区。
所述低能中子灵敏的区域的金属壁上涂覆10B材料，其涂层含量在20mg，金属壁外覆盖1mm厚镉材料；其能量响应峰值位于若干eV-1MeV之间。
所述中能中子灵敏的区域的金属壁内填充塑料闪烁材料，厚度为0.3mm，直径不超过1cm，掺杂是Pb材料，金属壁外覆盖1mm厚镉材料；其能量响应峰值位于1keV-5MeV之间。
所述快中子灵敏的区域的金属壁上涂覆232Th材料，其涂层含量为在20mg；其能量响应峰值位于若干MeV-20MeV之间。
所述电子学系统包括四通道信号采集，其中所述热中子灵敏的区域、所述低能中子灵敏的区域和所述快中子灵敏的区域信号采集采用电荷收集型，采用电流转频率型电子学单元，电子学单元包括高压模块、信号收集单元和信号处理单元，信号收集极从特氟龙输入端子输入，可降低漏电流，提高测量下限，通过电流转频率型电子学单元将信号转换为脉冲信号，为了保证尽可能小的输入电容，所述中子探头和所述电子学单元间信号处理单元之间线缆采用15cm RG-59同轴线缆，所述中能中子灵敏的区域输出光信号经由光纤采集导入到光电倍增管，通过光电倍增管放大并输出脉冲信号。
所述能谱分析系统采用嵌入式FPGA芯片作为微处理器，通过硬件固件采集从电子学系统输出的脉冲信号，嵌入式软核采用解谱算法进行在线中子解谱。
其中，中子探测器响应矩阵采用蒙特卡罗模拟计算获得，将计算获得的探测器响应矩阵作为解谱算法的输入条件，结合四路信号的比例关系，通过能谱分群加权的最小二乘法迭代等算法，获得能谱数据，实现中子能谱的实时中子测量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，该系统包括中子探头(1)、电子学系统(2)和能谱分析系统(3)，其特征在于，所述中子探头(1)采用复合探测结构，其复合探测结构分为四个中子灵敏区，即一个热中子灵敏的区域(11)、一个低能中子灵敏的区域(12)、一个中能中子灵敏的区域(13)和一个快中子灵敏的区域(14)，其中，每个区域用金属壁分隔，每个区域内部涂覆或填充不同的中子灵敏材料，中能中子灵敏的区域(13)可通过改变内填充材料组分调控中子能量响应峰值能区，其中，所述能谱分析系统(3)用于对四个区域信号数据进行在线采集，并进行在线管理与分析，对四个区域的数据进行中子能谱的特征寻峰，实现宽中子能谱实时测量。
2.根据权利要求1所述的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，其特征在于，所述热中子灵敏的区域(11)金属壁上涂覆235U材料、或239Pu材料、或10B材料。
3.根据权利要求1所述的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，其特征在于，所述低能中子灵敏的区域(12)金属壁上涂覆235U材料、或239Pu材料、或10B材料，金属壁外覆盖热中子截面高的材料如镉等。
4.根据权利要求1所述的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，其特征在于，所述中能中子灵敏的区域(13)金属壁内填充塑料闪烁材料，在塑料闪烁材料内增加一定掺杂调控中子能量响应峰值，掺杂是Pb材料或Gd材料，金属壁外覆盖热中子截面高的材料如镉等。
5.根据权利要求1所述的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，其特征在于，所述快中子灵敏的区域(14)的金属壁上涂覆238U材料或232Th材料。
6.根据权利要求1所述的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，其特征在于，所述电子学系统(2)对四个区域信号分别采集，其中，三个区域的电子学系统为电荷收集型，采用电流转频率型电子学单元，另一个区域的电子学系统为光子收集型，采用光纤将信号导出至光电倍增管。
7.根据权利要求1所述的一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统，其特征在于，所述能谱分析系统(3)用于对四个区域信号数据进行在线采集，并进行在线管理与分析，根据中子的慢化规律和四路信号的数据的比例关系，确定宽能谱中子特征峰的峰位，通过曲线拟合后实现宽中子能谱实时测量。
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