CN108680943A - 一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置及方法 - Google Patents

一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置及方法，利用伽马射线探测器对放置在中子场中含有多种元素的标准样品进行测量得到各个元素的特征峰计数率N；制备各元素含量已知的标准样品并通过蒙特卡罗方法模拟得到探测器中各特征峰计数率对不同能量的中子的响应函数R(E)；测得的各特征峰计数率可表示为响应函数与对应中子注量率乘积的累加和，求解以上方程组便可求得各能量区间的中子注量率，从而实现中子能谱的测量。本发明通过标准样品的制备和蒙特卡罗方法模拟使中子能谱测量更加简单、经济、省时，同时保证了较高的测量精度。

Description

一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装 置及方法
技术领域
本发明涉及辐射探测领域，具体涉及一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置及方法。
背景技术
在中子探测中，除了中子通量测量外，还经常需要中子注量率随能量的分布--即中子能谱。中子能谱测量是中子物理学中一项基础性研究，对核物理研究工作具有很大的意义。传统的常用中子能谱测量方法的测量结果精度普遍不高并且都各自有其局限性，比如活化片法在测量中非常耗时并且对低通量的中子场的测量效果很差，再比如Bonner球法需要在多个热中子灵敏探测器外加不同厚度的慢化层，然后分别获得其响应函数，价格昂贵且系统复杂。
瞬发伽马射线中子活化分析技术，其利用中子与样品中的核素发生俘获(n,γ)和非弹性散射反应(n,n’γ)，在极短的时间内(小于10-13s)发射出特征伽马射线，对该伽马射线的能量和强度进行探测从而对样品中的核素进行定性和定量分析。若样品的材料和结构已知，则利用特征伽马射线的能量和强度的信息可获得待测中子场的能谱信息。
发明内容
本发明目的是针对中子能谱测量提供一种新的检测方法及系统，借助瞬发伽马射线中子活化分析技术克服了传统中子能谱测量方法的缺点。
本发明的基本原理如下：
瞬发伽马射线中子活化分析技术，其利用中子与样品中的核素发生俘获(n,γ)和非弹性散射反应(n,n’γ)，在极短的时间内(小于10-13s)发射出特征伽马射线，若该样品的结构、元素分布及含量已知，对该样品发射的伽马射线的能量和强度进行探测便可对待测中子场的能谱信息进行测量。不同元素与中子发生反应的阈值不同，如H、B和Cl的俘获反应分别放出2.22MeV、0.478MeV、1.951MeV的特征伽马射线，反应阈值为0MeV，而像Pb、C、O的非弹性散射反应分别放出2.61MeV、4.44MeV、6.13MeV的特征伽马射线，其反应阈值也各不相同，且各元素与中子的反应截面不同，因此各元素的特征峰计数率便与各能群的中子注量率有关。此外，由于样品具有一定的体积，中子在样品中的输运过程中被慢化，使得在样品中不同位置的中子能谱有一定差异，通过在标准样品制备过程中设置元素在样品中的分布，使这种差异体现在不同元素特征峰计数率上。由于实际缺少单能中子源，通过蒙特卡罗方法模拟在不同单能中子场中，探测器对各元素特征峰计数率的响应函数，将中子能量区间根据实际需要划分为J个能群，并且选择了标准样品发射的I个特征峰，记第j个能群能量下的单位中子产生的第i个特征峰的计数率为响应函数Ri(Ej)。此时第i个特征峰的计数率可表示为Ni＝ΣΦjRi(Ej)。结合响应函数Ri(Ej)及测得的各个特征峰计数率便可得到I个关于各能群中子注量率的方程，通过数据处理系统，利用迭代算法或遗传算法求解得到各个能群的中子注量率，从而求得待测中子场的中子能谱。
本发明提供的技术方案是：
一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置，包括待测中子场、标准样品、伽马射线探测器、探测器周围的屏蔽材料及数据采集和处理系统；所述标准样品置于待测中子场中，标准样品中的各种元素与待测中子场中的中子发生俘获反应以及非弹性散射放出不同能量的特征伽马射线；所述伽马射线探测器置于标准样品附近，用于记录标准样品发射的特征伽马射线，并在伽马探测器周围设置了屏蔽材料用于屏蔽其它来源的伽马射线，以减小测量误差；在以上几何布置下通过蒙特卡罗方法模拟得到各个特征峰计数率对不同能量中子的响应函数；所述数据采集和处理系统结合试验测得的各特征峰计数率和模拟得到的响应函数R(E)利用数学方法解得各能量区间的中子注量率，从而得到待测中子场的中子能谱。
进一步的，所述的标准样品由金属铅、有机玻璃、质量分数已知的氯化钠溶液及质量分数已知的含硼聚乙烯组成。样品中含有C、H、O、B、Cl、Pb等元素，各元素与中子反应的阈值和截面不同。
进一步的，所述的伽马射线探测器为BGO闪烁体探测器，该探测器具有很好的耐中子辐照性能和较高的探测效率。此外也可使用NaI探测器或高纯锗探测器。
进一步的，所述的探测器周围的屏蔽材料为金属铋，该材料原子序数高，具有很好的伽马射线屏蔽能力，并且与标准样品中元素皆不同，不会对测量产生不利影响。
上述数据分析系统根据各个特征峰的计数率和响应函数采用迭代法或者遗传算法等数学方法反演计算解方程组Ni＝ΣΦjRi(Ej)得到各能群的中子注量率，即中子能谱。
本发明还提供了采用所述的中子能谱测量装置测定中子场的方法，包括以下步骤：
1)将中子能量区间根据实际需要划分为J个能群，并且选择了标准样品发射的I个特征峰，利用蒙特卡罗方法模拟计算得到第j个能群能量下的单位中子产生的第i个特征峰的计数率，记作响应函数Ri(Ej)；此时第i个特征峰的计数率可表示为Ni＝ΣΦjRi(Ej)；
2)利用伽马射线探测器测量标准样品发射的特征伽马射线，得到其实际计数率N′；
3)结合响应函数Ri(Ej)及测得的各个特征峰计数率便可得到I个关于各能群中子注量率的方程，通过数据处理系统，利用迭代算法或遗传算法求解得到各个能群的中子注量率，从而求得待测中子场的中子能谱。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该测量装置突破传统方法中的耗时、昂贵等局限，通过元素含量已知的标准样品的制备，借助PGNAA技术结合蒙特卡罗方法模拟实现对待测中子场中子能谱的测量，其可以应用于核反应堆、加速器及小型中子辐照装置等场景下的中子能谱测量，具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明的装置俯视结构示意图。
图2是本发明实施例各元素响应函数图。
图中：1-入射中子场，2-金属铅，3-氯化钠溶液，4-含硼聚乙烯，5-探测器屏蔽材料，6-BGO闪烁体探测器，7-多道分析器，8-工业控制计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参考图1所示的示例，基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置，包括由金属铅2、氯化钠溶液3、含硼聚乙烯4组成的标准样品，探测器屏蔽材料金属铋5，以及由BGO闪烁体探测器6、多道分析器7、工业控制计算机8组成数据采集处理系统。
上述标准样品由厚度分别为3cm、4cm、4cm的铅板、质量分数为10％的氯化钠溶液和质量分数5％的含硼聚乙烯板组成，各部分尺寸均为10cm×10cm，其中氯化钠溶液置于有机玻璃制成的容器中。
上述伽马射线探测器采用BGO闪烁体探测器，该探测器具有很好的耐中子辐照性能和较高的探测效率。此外也可使用NaI探测器或高纯锗探测器。
上述探测器外屏蔽材料采用四块厚度5cm，尺寸30cm×20cm金属铋对探测器上下左右方向进行屏蔽。
上述数据分析系统根据各个特征峰的计数率和响应函数采用迭代法或者遗传算法等数学方法反演计算解方程组Ni＝ΣΦjRi(Ej)得到各能群的中子注量率，即中子能谱。
实施例1
对Am-Be源中子场的中子能谱进行测量
本实例对Am-Be源中子场的中子能谱进行测量，首先制备标准样品，标准样品由厚度分别为3cm、4cm、4cm的铅板、质量分数为10％的氯化钠溶液和质量分数5％的含硼聚乙烯板组成，各部分尺寸均为10cm×10cm，其中氯化钠溶液置于有机玻璃制成的容器中。标准样品的结构及材料示意如图2所示。样品表面距离BGO闪烁体探测器表面20cm，在探测器周围用厚度为5cm的金属铋板对其它来源的伽马射线进行屏蔽。选择标准样品中的5个元素的特征峰，将待测中子能量区间划分为J个能群，在此几何布置下，利用蒙特卡罗方法模拟得到响应函数Ri(Ej)，即第j个能群中单位中子产生的第i个特征峰的计数率。模拟得到的各元素的响应函数如图3所示。由图3可以看出由于样品本身对中子的慢化以及各元素反应阈值不同都对响应函数有所影响。通过实验测量得到各元素特征峰的计数率，结合模拟得到的响应函数可联立得五个方程，利用数据分析系统利用迭代法或者遗传算法解得各能群的中子注量率，即中子能谱。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置，其特征在于：包括待测中子场、标准样品、伽马射线探测器、探测器周围的屏蔽材料及数据采集和处理系统；所述标准样品置于待测中子场中，标准样品中的各种元素与待测中子场中的中子发生俘获反应以及非弹性散射放出不同能量的特征伽马射线；所述伽马射线探测器置于标准样品附近，用于记录标准样品发射的特征伽马射线，并在伽马探测器周围设置了屏蔽材料用于屏蔽其它来源的伽马射线，以减小测量误差；在以上几何布置下通过蒙特卡罗方法模拟得到各个特征峰计数率对不同能量中子的响应函数；所述数据采集和处理系统结合试验测得的各特征峰计数率和模拟得到的响应函数R(E)利用数学方法解得各能量区间的中子注量率，从而得到待测中子场的中子能谱。
2.根据权利要求1所述的基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置，其特征在于：所述的标准样品由金属铅、有机玻璃、质量分数已知的氯化钠溶液及质量分数已知的含硼聚乙烯组成。
3.根据权利要求1所述的基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置，其特征在于：所述的伽马射线探测器为BGO闪烁体探测器、NaI探测器或高纯锗探测器。
4.根据权利要求1所述的基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的中子能谱测量装置，其特征在于：所述的探测器周围的屏蔽材料为金属铋。
5.采用权利要求1-4任一项所述的中子能谱测量装置测定中子场的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将中子能量区间根据实际需要划分为J个能群，并且选择了标准样品发射的I个特征峰，利用蒙特卡罗方法模拟计算得到第j个能群能量下的单位中子产生的第i个特征峰的计数率，记作响应函数Ri(Ej)；此时第i个特征峰的计数率可表示为Ni＝ΣΦjRi(Ej)；
2)利用伽马射线探测器测量标准样品发射的特征伽马射线，得到其实际计数率N′；
3)结合响应函数Ri(Ej)及测得的各个特征峰计数率便可得到I个关于各能群中子注量率的方程，通过数据处理系统，利用迭代算法或遗传算法求解得到各个能群的中子注量率，从而求得待测中子场的中子能谱。
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