CN112149338B - 一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，适用于涂硼稻草管中子探测器的蒙特卡罗模拟计算分析。该方法基于蒙特卡罗程序，使用³He或BF₃中子探测器模型来等效涂硼中子探测器，同时利用中子源实测一系列慢化条件下涂硼中子探测器的探测效率，通过调整³He或BF₃探测器的参数来符合不同慢化和中子能谱条件下的探测效率，从而获得特定中子能谱条件下涂硼中子探测器的蒙特卡罗等效模型和计算参数。本发明提供了一种简单可行的方法，不需要知道涂硼中子探测器详细的内部结构，不需要精细度到微米量级的蒙特卡罗模拟和后续的电场模拟计算，就可以为涂硼中子探测器确定一种等效的³He或BF₃探测器蒙特卡罗模型。

Description

一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法

技术领域

本发明属于中子探测器的设计技术领域，具体涉及一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法。

背景技术

中子探测是核能领域一个基本的需求。³He和¹⁰B因其热中子反应截面大，是良好的热中子吸收材料，广泛地应用于热中子探测领域。在目前³He气体供不应求的情况下，涂硼稻草管中子探测器是有望替代³He正比计数器的一种新型中子探测器。涂硼稻草管是一种在薄壁稻草管基材内壁覆含有碳化硼(B₄C)材料的圆柱形正比计数器，为提高探测效率，一般设计为涂硼稻草管阵列。

建立一个涂硼稻草管中子探测器的计算模型，首先需要涂硼稻草管详细的内部结构信息，包括稻草管的尺寸、B₄C涂层厚度、¹⁰B富集度，以及稻草管的数量、排列方式等信息。然后，使用蒙特卡罗程序模拟中子、光子的输运过程，对中子与光子进行跟踪，得到每个中子与¹⁰B的反应位置，从而获得带电粒子⁷Li和α的信息；使用另一个程序处理粒子与物质的碰撞过程，计算带电粒子⁷Li和α在含硼材料中的能量损失和射程分布，从而获得带电粒子⁷Li和α穿出B₄C层进入气体、在气体中沉积能量形成信号的信息。在这个常规的模拟过程中，有两个方面的限制：第一，详细的内部结构属于涂硼稻草管中子探测器设计的核心技术秘密，厂家一般是不会提供的，除非是自己设计的涂硼稻草管中子探测器，才会拥有建模所需的详尽信息；第二，在使用蒙特卡罗程序对中子、光子进行跟踪的过程中，由于探测器内部稻草管基材内壁上涂覆的B₄C的厚度在μm量级，所以蒙特卡罗建模和计算的尺度分辨率也在μm量级以下，需要耗费大量的计算资源、花费很长的时间。所以对涂硼探测器的普通用户来说，只有使用探测器标定的中子灵敏度数据，如XX cps/nv来估算，或者通过典型中子源的实测数据。其中，中子灵敏度指标是一个基于典型中子能谱的集总的指标，因为其不能精细地考虑不同能量的中子对于探测器计数的贡献，因此中子灵敏度只能用来粗略地估计探测器的计数。使用典型中子源进行实测，可以给出探测器在相应中子能谱下的探测效率，但是需要研究实际应用场景的中子能谱与实验测量下的中子能谱的相似度。

³He和BF₃中子探测器是典型的、广泛应用的热中子探测器，其蒙特卡罗程序计算模型相对简单。而且，作为一种典型的气体正比计数器，带电粒子的能量几乎可以认为是全部沉积在气体中，基本可以认为³He与中子的(n,p)反应率、¹⁰B与中子的(n,a)反应率代表了探测器的计数率。

目前，该领域已公开的专利申请的技术内容主要集中于涂硼探测器的设计、探测器的制造方法、涂硼的结构或者方法等方面，如中国科学院高能物理研究所申请的“基于厚GEM及多层网涂的硼中子探测器”(申请号：201810092884.6)、“中子探测器与中子探测方法”(申请号：20131013620203.9)、比例技术股份有限公司申请的“具有饼状截面的涂硼稻草管中子探测器”(申请号：201780078218.0)、同济大学申请的“一种用于涂硼中子探测器富硼涂层的薄膜结构”(申请号：201910180279.9)、同方威视技术股份有限公司申请的“涂硼中子探测器及其制造方法”(申请号：201110096455.4)、东莞中子科学中心申请的“一种基于多层涂硼薄膜和多丝正比室的中子探测器”(申请号：201710138568.3)等。还没有关于涂硼中子探测器等效蒙特卡罗计算模型方法的相关技术公开。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，满足对涂硼中子探测器建模分析的需求。

本发明的技术方案如下：一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，其特征在于，利用经过精心调整探测器参数的³He或BF₃探测器蒙特卡罗模型来等效涂硼中子探测器。该方法包括如下步骤：

1)通过实验，获得不同慢化条件下涂硼中子探测器的绝对探测效率实测值；

2)使用蒙特卡罗程序建立测量实验计算模型，用于获得等效³He或BF₃探测器的绝对探测效率计算值；

3)通过调整等效³He或BF₃探测器的模型参数，使得到的所述绝对探测效率计算值与不同慢化条件下涂硼中子探测器的绝对探测效率实测值符合；

4)根据中子能谱的相似性，确定具体应用场景下涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型。

进一步地，在上述方法的步骤1)中，使用涂硼中子探测器及实验测量相关配件、源强已知的中子源(Am-Li源或²⁵²Cf源或其它中子源)、一系列不同厚度的慢化体(如聚乙烯)，建立一个涂硼中子探测器绝对探测效率测量装置；将探测器和中子源固定在合适的位置，两者之间有适当的距离，改变探测器和中子源之间的慢化体厚度，如依次设置为0(不放置慢化体)、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15cm等，获得不同慢化条件下涂硼中子探测器的中子计数，应用以下公式计算每一种慢化条件下探测器绝对探测效率实测值ε_m,i：

其中，i表示不同慢化体厚度对应的测量实验案例，i＝1,…,N，R_m,i是不同慢化体下探测器的计数率，S是实验中的中子源强。

进一步地，在上述方法的步骤2)中，使用蒙特卡罗程序，建立步骤1)中测量装置的计算模型，详细描述中子源、慢化体等，使用³He或BF₃探测器代替涂硼中子探测器，分析评价测量装置中对探测器计数有影响的其他因素，建立精确的测量实验计算模型，用于得到每一种慢化条件下等效³He或BF₃探测器的绝对探测效率计算值ε_c,i，

其中，i是不同慢化体厚度对应的蒙特卡罗计算案例，i＝1,…,N，R_c,i是不同厚度慢化体的计算中探测器的(n,p)或(n,a)反应率，S′是计算模型的中子源强。

探测器的反应率R_c,i按如下公式计算：

其中：F_j为探测器对第j群中子的响应函数，φ_i,j为第i个计算案例对应的中子能谱，j＝1,…,G能群。

进一步地，在上述方法的步骤3)中，针对每一个慢化体厚度，调整等效探测器的参数k_i，如³He探测器的气压、BF₃探测器的气压和/或¹⁰B富集度，从而改变探测器对中子的响应函数F_j，使得蒙特卡罗程序中模拟的³He探测器的(n,p)反应率R_c或BF₃探测器的(n,a)反应率R_c，除以源强后得到绝对探测效率计算值ε_c,i，与涂硼中子探测器的绝对探测效率的实测值ε_m,i一致。从而得到每一个慢化条件和相应的中子能谱下，与涂硼探测器等效的³He或BF₃探测器的参数k_i，i＝1,…,N。

进一步地，在上述方法的步骤4)中，在涂硼中子探测器具体的应用场景中，建立蒙特卡罗计算模型，使用³He或BF₃探测器代替涂硼中子探测器，将应用场景的中子能谱与步骤3)中测量实验计算模型的中子能谱进行比较，使用最接近的慢化条件和中子能谱下的探测器参数k_i，得到应用场景中涂硼中子探测器的等效模型。

在步骤4)中，中子能谱相似度可按以下方法确定：依次将不同慢化条件下的等效探测器的等效模型参数k_i(i＝1,…,N)代入到应用场景中，得到应用场景中相应探测器模型的绝对探测效率计算值ε_a,i，逐一对比应用场景的绝对探测效率计算值ε_a,i和实验装置的绝对探测效率实测值ε_m，i，两者相差最小的，则两者的中子能谱对探测器来说相似度最高。

与常规的涂硼中子探测器的计算分析方法相比，本发明的特点一是不需要涂硼中子探测器详细的内部结构信息；二是用简单易用的³He或BF₃探测器模型代替复杂的涂硼中子探测器模型，通过调整参数使两者在中子探测计数方面等效；三是计算精度高于直接使用探测器的中子灵敏度。因此，本发明的有益效果如下：

1.对于绝大多数涂硼中子探测器的普通用户来说，都可以采用本发明中的技术方案，得到涂硼中子探测器的等效计算模型，解决了普通用户缺少涂硼中子探测器的核心设计细节信息无法模拟的问题；

2.探测器模型的建模、计算的尺度分辨率可以由μm量级以下放大到cm量级，从而大幅降低对于计算资源需求，即使本发明中的技术方案需要开展多次计算，其计算效率也明显提高；

3.与探测器提供的中子灵敏度相比，本发明中的技术方案可以充分考虑不同能量的中子对探测器计数的贡献，从而得到更加精确的计数。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中所述的涂硼探测器绝对探测效率测量装置示意图。

图2为本发明具体实施方式中所述的涂硼探测器实际应用的示意图。

图3为本发明涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

要实现本发明中的技术方案，需要有以下两个方面的条件和能力：

1)开展涂硼中子探测器绝对探测效率实验测量的条件和能力

拥有Am-Li源或²⁵²Cf源或其它中子源，一系列慢化体，如不同厚度的聚乙烯，涂硼中子探测器和数据采集所需要的配件，以及足够的专业知识和动手能力，可以完成测量实验。

2)开展³He或BF₃探测器绝对探测效率计算的软件和能力

任何经验证的、具备中子/光子输运功能、能够统计反应率的三维蒙特卡罗程序计算软件，都可用于本发明。

本发明提供一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，方法流程如图3所示，包括绝对探测效率的确定，蒙特卡罗模型的参数优化，具体应用场景中等效模型的确定等步骤：

(1)通过实验，获得不同慢化条件下涂硼中子探测器的绝对探测效率实测值；

(2)使用蒙特卡罗程序建立测量实验计算模型，用于获得等效³He或BF₃探测器的绝对探测效率计算值；

(3)通过调整等效³He或BF₃探测器的模型参数，使得到的所述绝对探测效率计算值与不同慢化条件下涂硼中子探测器的绝对探测效率实测值符合；

(4)根据中子能谱的相似性，确定具体应用场景下涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型。

作为一个具体实施例，各步骤的描述如下：

步骤1，准备一个源强已知的Am-Li源或²⁵²Cf源或其它中子源，厚度分别是1、2、4、8cm的聚乙烯板各1块，涂硼中子探测器及信号采集所需的部件配件等，建立一个涂硼中子探测器绝对探测效率测量装置，如图1所示。

将探测器和中子源固定在合适的位置，两者之间有适当的距离。连接测量和数据采集所需要的配件，调整系统的参数设置，开展测量实验。改变探测器和中子源之间的慢化体厚度，通过聚乙烯板之间的组合，得到不同厚度的慢化体，0(不放置慢化体)、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15cm等，通过实验获得一系列慢化条件下涂硼中子探测器的中子计数率R_m，i，得到一系列中子能谱及相应的中子能谱下探测器绝对探测效率的实测值：

其中，i表示不同慢化体厚度对应的测量实验案例，i＝1,…,N，R_m，i是不同慢化体下探测器的计数率，S是实验中的中子源强。

步骤2，使用蒙特卡罗程序建立步骤1实验的计算模型，详尽描述中子源、慢化体的信息，使用等有效尺寸的³He或者BF₃探测器来代替涂硼中子探测器。通过计算可以得到不同慢化体厚度下的中子能谱φ_i、探测器的反应率R_c,i，以及相应的探测效率的绝对值ε_c,i。

其中，i是不同慢化体厚度对应的蒙特卡罗计算案例，i＝1,…,N，R_c，i是不同厚度慢化体的计算中探测器的(n，p)或(n，a)反应率，S′是计算模型的中子源强。

探测器的反应率R_c，i按如下公式计算：

其中：F_j为探测器对第j群中子的响应函数，φ_i，j为第i个计算案例对应的中子能谱，j＝1,…,G能群。

步骤3，对于每一个慢化体厚度，调整探测器计算模型的参数设置，使得³He探测器的(n，p)反应率R_c或者BF₃探测器的(n，a)反应率R_c，除以源强后得到的绝对中子探测效率的计算值与实测值一致，ε_c，i＝ε_m，i。对于³He探测器，主要是调整³He气体压力P。对于BF₃探测器，既可以调整气体压力，也可以设置气体压力为1个大气压，调整¹⁰B的富集度E。从而得到最合适的探测器参数，³He气体压力P或BF₃的¹⁰B富集度E。

步骤4，在如图2所示的具体应用场景中，使用模型蒙特卡罗程序计算得到观测对象产生的辐射场的中子能谱特性，与步骤1中的中子能谱特性进行比较，选择出最接近的中子能谱，使用对应慢化条件下的³He或BF₃探测器的参数，即得到具体应用场景中涂硼探测器的等效蒙特卡罗模型。可以逐一将不同慢化条件下的³He或BF₃探测器的参数k_i代入到应用场景中，得到相应的绝对探测效率ε_a,i，与相应慢化条件下的实验装置的绝对探测效率实测值ε_m,i对比，两者最接近的，则两者的中子能谱对探测器来说就是相似度最高的。

本发明通过一种简单可行的方法，为涂硼中子探测器确定一种等效的³He或BF₃探测器模型，不需要知道涂硼中子探测器详细的内部结构，不需要精细度到微米量级的蒙特卡罗模拟和后续的电场模拟计算，是一种创新的、实用的、可行的涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型确定方法。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明方法。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，包括如下步骤：

1)通过实验，获得不同慢化条件下涂硼中子探测器的绝对探测效率实测值，所述不同慢化条件是指探测器和中子源之间慢化体的不同厚度；

2)使用蒙特卡罗程序建立测量实验计算模型，用于获得等效探测器的绝对探测效率计算值，所述等效探测器为³He或BF₃探测器；

3)针对每一个慢化体厚度，通过调整等效探测器的测量实验计算模型参数k，使得到的所述绝对探测效率计算值与不同慢化条件下涂硼中子探测器的绝对探测效率实测值符合，得到不同慢化条件和相应的中子能谱下最佳的探测器等效模型参数k_i，i＝1,…,N；所述参数k包括³He探测器模型的气压或者BF₃探测器模型的¹⁰B富集度和/或气压；

4)根据中子能谱的相似性，确定具体应用场景下涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型；针对具体应用场景，利用蒙特卡罗程序建立计算模型，使用等效探测器代替涂硼中子探测器，根据应用场景的中子能谱与测量实验的中子能谱的相似程度，选择合适的探测器等效模型参数，即得到具体应用场景下涂硼中子探测器的蒙特卡罗等效模型；中子能谱的相似程度确定方法如下：依次将不同慢化条件下的等效探测器的等效模型参数k_i，i＝1,…,N，代入到应用场景中，得到应用场景中相应探测器模型的绝对探测效率计算值，逐一对比应用场景的绝对探测效率计算值和实验装置的绝对探测效率实测值，两者相差最小，则两者的中子能谱对探测器来说相似度最高。

2.如权利要求1所述的涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，其特征在于：步骤1)中，使用涂硼中子探测器及实验测量相关配件、源强已知的中子源、一系列不同厚度的慢化体，建立一个涂硼中子探测器绝对探测效率测量装置；将探测器和中子源固定在合适的位置，两者之间有适当的距离，改变探测器和中子源之间的慢化体厚度，获得不同慢化条件下涂硼中子探测器的中子计数，应用以下公式计算每一种慢化条件下探测器绝对探测效率实测值ε_m,i：

其中，i表示不同慢化体厚度对应的测量实验案例，i＝1,…,N，R_m,i是不同慢化体下探测器的计数率，S是实验中的中子源强。

3.如权利要求2所述的涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，其特征在于：步骤2)中，使用蒙特卡罗程序建立步骤1)中测量装置的计算模型，使用等效探测器代替模型中的涂硼中子探测器，用于得到每一种慢化条件下等效探测器的绝对探测效率计算值ε_c,i，

其中，i是不同慢化体厚度对应的蒙特卡罗计算案例，i＝1,…,N，R_c,i是不同厚度慢化体的计算中等效探测器的(n,p)或(n,a)反应率，S′是计算模型的中子源强。

4.如权利要求3所述的涂硼中子探测器蒙特卡罗等效模型的确定方法，其特征在于：步骤2)中等效探测器的反应率R_c,i按如下公式计算：

其中：F_j为探测器对第j群中子的响应函数，φ_i,j为第i个计算案例对应的中子能谱，j＝1,…,G能群。