CN111896994A - 一种基于金刚石探测器测量快中子能谱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于金刚石探测器测量快中子能谱的方法。由于不同能量快中子与碳原子核发生的各类核反应的种类不同、截面及角分布不同、核反应产物的能量不同，金刚石探测器对于不同能量快中子的响应函数不同，该方法首先通过蒙特卡洛模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数，得到金刚石探测器的中子响应矩阵，然后测量金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数，将实验测量得到的响应函数通过中子响应矩阵反解，得到待测中子能谱。

Description

一种基于金刚石探测器测量快中子能谱的方法
技术领域
本发明属于中子测量技术领域，具体涉及一种基于金刚石探测器测量快中子能谱的方法。
背景技术
中子能谱的测量对于核物理的研究具有重要意义，同时也是实现中子技术应用的基础。中子能谱是中子诱发的各种核反应截面的准确测量的基础，这对于核数据、核结构、核反应机制以及核天体等具有重要意义。在应用领域，准确的中子能谱对于反应堆的控制、核反应动力装置以及核聚变系统的诊断等领域具有独特价值。尤其是针对聚变研究，由于聚变装置中的中子注量率非常大，因此要求所使用的中子探测器具有极强的抗辐照性能，而金刚石探测器恰好满足这一特点。
发明内容
本发明提供了一种基于金刚石探测器测量快中子能谱的方法，以解决现有技术在测量大中子注量率中子能谱的测量问题。
具有不同能量的快中子与碳原子核发生核反应的种类不同、各类核反应的截面及角分布不同、核反应产物的能量不同，因此金刚石探测器对于不同能量快中子的响应函数(即金刚石探测器的沉积能量-计数谱)不同。本发明基于快中子与碳原子核发生的各类核反应，将中子能谱信息转化为金刚石探测器对中子的响应函数。通过蒙特卡洛模拟的方法得到金刚石探测器的中子响应矩阵，将金刚石探测器对未知中子能谱的响应函数基于中子响应矩阵进行反解，即可得到中子能谱信息。
具体的，本发明的快中子能谱测量方法包括如下步骤：
1)利用蒙特卡洛方法模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数，得到金刚石探测器的中子响应矩阵；
2)实验测量金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数；
3)基于步骤1)得到的中子响应矩阵对步骤2)得到的金刚石探测器的响应函数进行反解，得到待测中子能谱。
利用蒙特卡洛方法模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数的基本思路为：
假设某一能量的一个中子进入金刚石探测器，设定一个中子前进步长，中子沿其方向前进一个步长，根据评价核数据库中的中子与碳核各类核反应的截面信息，蒙特卡洛抽样判断中子是否会与碳原子核发生某类核反应：如果不发生核反应，则中子继续前进一个步长；如果发生某类核反应，根据评价核数据库中此类核反应的角分布信息，蒙特卡洛抽样决定某一个核反应产物的出射角度，并根据核反应运动学计算核反应产物的出射能量、出射方向，这次核反应产生的带电粒子，如α粒子、反冲核等，认为其能量沉积在金刚石探测器中并产生一个计数，记录此沉积能量，带电粒子沉积在金刚石中能量的计算需要考虑壁效应的问题，即带电粒子穿出金刚石探测器而只能将部分能量沉积到金刚石探测器中，如果核反应过程中没有中子产生，则认为这个中子“死亡”，如果发生的核反应有中子产生，则新产生中子的能量已通过核反应运动学计算得到，此中子沿其方向继续前进一个步长，重复上述过程，直至中子“死亡”或者其穿出金刚石探测器。
重复上述过程多次，即模拟多个某一能量的中子入射，当模拟的中子数目较大时，可以得到统计性较好的金刚石探测器对于此中子能量的沉积能量-计数谱，即金刚石探测器对此中子能量的响应函数，对于不同的中子能量均采用此种模拟方法，可以得到金刚石探测器对不同中子能量的响应函数，即金刚石探测器的中子响应矩阵。不同的金刚石探测器具有不同的能量分辨率，因此模拟金刚石探测器的中子响应矩阵时需要考虑能量分辨率的影响。
上述步骤1)中利用蒙特卡洛方法模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数的基本流程如图1所示，假设某一能量的一个中子从某一方向、位置入射金刚石探测器，首先设定一个中子前进步长，中子在金刚石探测器中沿其方向前进一个步长，根据评价核数据库中的中子与碳核各类核反应的截面信息，蒙特卡洛抽样判断中子是否会与碳原子核发生某类核反应：如果不发生核反应，则中子继续前进一个步长；如果发生某类核反应，计算核反应出射带电粒子在金刚石探测器中的沉积能量，如果核反应过程中没有中子产生，则认为这个中子“死亡”，如果有中子产生，则计算新产生中子的出射方向和能量，此中子沿其方向继续前进一个步长；重复此过程，直至中子“死亡”或者其穿出金刚石探测器。模拟多个某一能量的中子入射，得到金刚石探测器对于此中子能量的沉积能量-计数谱，即金刚石探测器对此中子能量的响应函数。对于不同的中子能量均采用此种模拟方法，得到金刚石探测器对不同中子能量的响应函数，即金刚石探测器的中子响应矩阵。
在上述模拟过程中，蒙特卡洛抽样判断中子是否会与碳原子核发生某类核反应时，如果发生某类核反应，根据评价核数据库中此类核反应的角分布信息，蒙特卡洛抽样决定某一个核反应产物的出射角度，并根据核反应运动学计算核反应产物的出射能量、出射方向，这次核反应产生的带电粒子，如α粒子、反冲核等，认为其能量沉积在金刚石探测器中并产生一个计数，记录此沉积能量。
计算带电粒子在金刚石探测器中的沉积能量时需要考虑壁效应的问题和金刚石探测器的能量分辨能力，当金刚石探测器中沉积了能量E0，探测器输出值E并不完全等于E0，而是一个以E0为平均值的高斯分布，这个高斯分布的展宽由具体金刚石探测器的能量分辨能力决定。如图2所示，某一能量、方向、位置的带电粒子在金刚石探测器中沉积一个能量步长，根据金刚石对此种带电粒子的阻止本领求得沉积此能量步长时带电粒子的移动距离，判断该带电粒子是否穿出金刚石探测器，如果没有，则该带电粒子继续在金刚石探测器中沉积一个能量步长，如果穿出了金刚石探测器，则对此带电粒子的追踪结束并得到计算的沉积能量。此时需要考虑金刚石探测器的能量分辨能力，构建一个以上述计算得到的沉积能量为平均值、以实际探测器能量分辨能力为展宽的高斯分布，在此高斯分布中抽取得到此带电粒子在金刚石探测器中的实际总沉积能量。
上述步骤2)实验测量金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数时，使用电荷灵敏型前置放大器，保证金刚石探测器具有较好的信号质量，噪声较小，测量较长时间以获得足够的统计性。
上述步骤3)基于中子响应矩阵对金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数进行反解，反解的方法为迭代法。
中子能谱φ与金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数N之间通过中子响应矩阵R相关联：
Figure BDA0002598343120000031
其中，i为响应函数道址序号，而j为中子能谱道址序号。
利用GRAVEL迭代算法反解中子能谱，迭代公式为：
Figure BDA0002598343120000032
其中，k为迭代次数，
Figure BDA0002598343120000033
为第k次迭代获得的中子能谱，Ni为金刚石探测器测量的响应函数，ρi为Ni的标准偏差(如果Ni>0，
Figure BDA0002598343120000034
否则，ρi＝1)，Ri,j为金刚石探测器的中子响应矩阵，
Figure BDA0002598343120000035
为权重因子，其定义如式3：
Figure BDA0002598343120000041
迭代思路如图3所示，从某一初始中子能谱出发进行迭代反解，如果迭代次数达到设定次数(如1000次)，或者当利用中子能谱
Figure BDA0002598343120000042
推出的响应函数
Figure BDA0002598343120000043
与实验测量的响应函数Ni之间的相对偏差降低至预设值(如0.05％)时，迭代停止。
Figure BDA0002598343120000044
步骤3)迭代结束后即可得到中子能谱结果。
根据本发明的方法，利用蒙特卡洛模拟得到金刚石探测器的快中子响应矩阵，将金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数基于中子响应矩阵进行反解，即可得到待测中子能谱。其有益效果简述如下：
1、本发明利用金刚石探测器测量中子能谱，金刚石探测具有优异的抗辐照性能，可以应用于中子注量率非常大的环境中。
2、本发明中的蒙特卡洛模拟快中子响应矩阵，模拟方法简单易行，反解中子能谱的迭代算法易于实现。
附图说明
图1为本发明利用蒙特卡洛方法模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数的流程图。
图2为本发明在利用蒙特卡洛方法模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数过程中，考虑壁效应计算带电粒子在金刚石中沉积能量的流程图。
图3为本发明基于中子响应矩阵对金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数进行迭代法反解的流程图。
图4为12C核的快中子激发函数的7个反应道。
图5为实施例中模拟得到的金刚石探测器对1.0-4.0MeV中子的响应矩阵，中子能量bin 宽为0.1MeV。
图6为实验得到的金刚石探测器对2.5MeV准单能中子的响应函数。
图7为实施例中反解得到的2.5MeV准单能中子能谱。
图8为实施例中模拟得到的金刚石探测器对1.0-20.0MeV中子的响应矩阵，中子能量bin 宽为0.5MeV。
图9为实验得到的金刚石探测器对14.0MeV准单能中子的响应函数。
图10为实施例中反解得到的14.0MeV准单能中子能谱。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。
对于金刚石来说，其12C核约占98.89％，评价核数据库中12C核的中子激发函数如图4 所示，在蒙特卡洛模拟金刚石探测器的响应矩阵时考虑了图4所示的7个反应道。由于金刚石探测器具有极强的抗辐照性能，因此其在聚变装置中具有较大的应用前景，聚变的主要方式为D-D聚变(产生中子能量)以及D-T聚变，因此在此实例中，分别就2.5MeV准单能中子和14.0MeV准单能中子进行研究。
对于2.5MeV准单能中子，首先按照图1所示模拟方法，模拟金刚石探测器对1.0-4.0MeV 中子的响应矩阵，中子能量bin宽为0.1MeV，模拟结果如图5所示。图6为实验测量得到的金刚石探测器对2.5MeV准单能中子的响应函数，其来源于参考文献1。通过3.3MeV质子束轰击500μg/cm2 T-Ti靶，其在12°位置处产生2.47MeV的中子，实验中使用了4.5×4.5 ×0.5mm3的单晶金刚石探测器，信号经过快电荷灵敏前置放大器后输入到波形数字化仪CAEN-DT5730上，测量阈值为0.2MeV，其测量结果如图6所示。以图5所示金刚石探测器对1.0-4.0MeV中子的响应矩阵为基础，根据图3所示反解步骤对图6所示的响应函数进行反解，得到的中子能谱结果如图7所示，可以看出主中子能量为2.5MeV，另有一些低能中子的存在，这与实际情况相吻合。
对于14.0MeV准单能中子，首先按照上述模拟方法，模拟金刚石探测器对1.0-20.0MeV 中子的响应矩阵，中子能量bin宽为0.5MeV，模拟结果如图8所示。图9为实验测量得到的金刚石探测器对14.0MeV准单能中子的响应函数，其来源于参考文献2，测量阈值为1.0MeV。以图8所示金刚石探测器对1.0-20.0MeV中子的响应矩阵为基础，根据上述反解步骤对图9 所示的响应函数进行反解，得到的中子能谱结果如图10所示，可以看出主中子能量为14.0 MeV，另有一些低能中子的存在，这与实际情况相吻合。
上述两实例说明了本发明中模拟得到的中子响应矩阵的准确性，通过本发明方法处理文献中的实验测量结果，得到了可信的中子能谱结果，充分说明了利用金刚石探测器测量快中子能谱的可行性。
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Claims (8)

1.一种基于金刚石探测器测量快中子能谱的方法，包括如下步骤：
1)利用蒙特卡洛方法模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数，得到金刚石探测器的中子响应矩阵；
2)实验测量金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数；
3)基于步骤1)得到的中子响应矩阵对步骤2)得到的金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数进行反解，得到待测中子能谱。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)利用蒙特卡洛方法模拟金刚石探测器对不同能量快中子的响应函数的过程如下：假设某一能量的一个中子从某一方向、位置入射金刚石探测器，首先设定一个中子前进步长，中子在金刚石探测器中沿其方向前进一个步长，根据评价核数据库中的中子与碳核各类核反应的截面信息，蒙特卡洛抽样判断中子是否会与碳原子核发生某类核反应：如果不发生核反应，则中子继续前进一个步长；如果发生某类核反应，计算核反应出射带电粒子在金刚石探测器中的沉积能量，如果核反应过程中没有中子产生，则认为这个中子“死亡”，如果有中子产生，则计算新产生中子的出射方向和能量，此中子沿其方向继续前进一个步长；重复此过程，直至中子“死亡”或者其穿出金刚石探测器；模拟多个某一能量的中子入射，得到金刚石探测器对于此中子能量的沉积能量-计数谱，即金刚石探测器对此中子能量的响应函数；对于不同的中子能量均采用此种模拟方法，得到金刚石探测器对不同中子能量的响应函数，即金刚石探测器的中子响应矩阵。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1)的模拟过程中，蒙特卡洛抽样判断中子是否会与碳原子核发生某类核反应时，如果发生某类核反应，根据评价核数据库中此类核反应的角分布信息，蒙特卡洛抽样决定某一个核反应产物的出射角度，并根据核反应运动学计算核反应产物的出射能量、出射方向，对于这次核反应产生的带电粒子，认为其能量沉积在金刚石探测器中并产生一个计数，记录此沉积能量。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算核反应出射带电粒子在金刚石探测器中的沉积能量的流程是：某一能量、方向、位置的带电粒子在金刚石探测器中沉积一个能量步长，根据金刚石对此种带电粒子的阻止本领求得沉积此能量步长时带电粒子的移动距离，判断该带电粒子是否穿出金刚石探测器，如果没有，则该带电粒子继续在金刚石探测器中沉积一个能量步长，则对此带电粒子的追踪结束并得到计算的沉积能量；然后构建一个以该计算的沉积能量为平均值、以金刚石探测器能量分辨能力为展宽的高斯分布，在此高斯分布中抽取得到此带电粒子在金刚石探测器中的实际总沉积能量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)实验测量金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数时使用电荷灵敏型前置放大器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)使用迭代法进行反解。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，中子能谱φ与金刚石探测器对待测中子能谱的响应函数N之间通过中子响应矩阵R相关联：
Figure FDA0002598343110000021
其中，i为响应函数道址序号，而j为中子能谱道址序号；
步骤3)利用GRAVEL迭代算法反解中子能谱，迭代公式为：
Figure FDA0002598343110000022
其中，k为迭代次数；
Figure FDA0002598343110000023
为第k次迭代获得的中子能谱；Ni为金刚石探测器测量的响应函数；ρi为Ni的标准偏差，如果Ni>0，
Figure FDA0002598343110000024
否则，ρi＝1；Ri,j为金刚石探测器的中子响应矩阵，
Figure FDA0002598343110000025
为权重因子，其定义如式3所示：
Figure FDA0002598343110000026
从某一初始中子能谱出发进行迭代反解，如果迭代次数达到设定次数，或者当利用中子能谱
Figure FDA0002598343110000027
推出的响应函数
Figure FDA0002598343110000028
与实验测量的响应函数Ni之间的相对偏差降低至预设值时，迭代停止，得到待测中子能谱：
Figure FDA0002598343110000029
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，设定迭代次数为1000，设定利用中子能谱
Figure FDA00025983431100000210
推出的响应函数
Figure FDA00025983431100000211
与实验测量的响应函数Ni之间的相对偏差的预设值为0.05％。
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