D-T中子與聚乙烯材料相互作用的次級中子角度譜實(shí)驗研究.pdf

1、在熱核武器和聚變能源研究中，D-T反應(yīng)是主要的反應(yīng)模式。因此，由D-T反應(yīng)產(chǎn)生的中子和次級中子與物質(zhì)的作用機(jī)制和測量方法是中子輸運(yùn)學(xué)研究的重要課題。中子角度譜，即中子能量分布與角度分布，是理解與核工程有關(guān)的大體積系統(tǒng)中中子行為的最基本的物理量之一。在聚變反應(yīng)堆或聚變-裂變混合堆包層中子學(xué)設(shè)計中，次級中子的角分布在中子輸運(yùn)計算中起重要的作用，與裂變反應(yīng)堆中的中子行為相比，由于經(jīng)大體積輕核材料作用后D-T聚變中子的各向異性散射比較強(qiáng)，在中子

2、輸運(yùn)計算中必須考慮次級中子的角度分布。這種宏觀物體的次級中子角分布與微觀物體的有所不同，這是因為在宏觀物體中高能中子會被多次散射，對評價截面數(shù)據(jù)更加敏感。此外，角分布不僅與散射核素、中子能量有關(guān)，還與物體的宏觀尺寸和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，無論是對于核工程設(shè)計，檢驗核數(shù)據(jù)庫，中子學(xué)設(shè)計的計算方法還是物理建模的積分檢驗，相關(guān)材料中子角度譜的測量都具有極其重要的意義。這就迫切要求我們建立一套合適的中子能譜測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法，以滿足對相關(guān)材料

3、的中子學(xué)基準(zhǔn)檢驗的要求。
　　 聚乙烯是中子物理中重要的一種屏蔽和慢化材料，它主要由C、H元素組成，其核反應(yīng)截面等數(shù)據(jù)已經(jīng)相當(dāng)完善，利用大體積的聚乙烯樣品進(jìn)行中子學(xué)積分實(shí)驗不但可以用于檢驗中子學(xué)輸運(yùn)理論、計算方法、核數(shù)據(jù)庫以及模擬程序，還可用于對建立的中子學(xué)基準(zhǔn)實(shí)驗測量系統(tǒng)作實(shí)驗檢驗。本論文主要研究了利用反沖質(zhì)子法，測量D-T中子與聚乙烯材料作用的次級中子角度譜的實(shí)驗方法。在測量技術(shù)和數(shù)據(jù)分析處理方面分別開展了如下研究工作。

4、r>　　 測量技術(shù)上：(1)利用r-r符合技術(shù)，實(shí)驗上測定液閃探測器(5.08cm×5.08cm的BC50IA型)的康普頓反沖電子譜的康普頓邊的準(zhǔn)確位置(0.90±0.05處)，并獲得了探測器的能量分辨函數(shù)。同時，對利用康普頓反沖電子譜的不同位置（峰值處、半高度處和康普頓邊的準(zhǔn)確位置處）作能量刻度的能量線性結(jié)果進(jìn)行了分析比較，確認(rèn)了以康普頓邊的準(zhǔn)確位置做能量刻度得到最好的能量線性，減少了在能譜測量過程中對中子有效測量閾值設(shè)置和能量刻度

5、的不確定性，提高了實(shí)驗精度。(2)利用含25℃f自發(fā)裂變中子源的快裂變室，采用飛行時間技術(shù)和離線數(shù)據(jù)分析方法對液閃探測器的相對探測效率和響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的研究，對以等效電子能量為單位的脈沖幅度譜轉(zhuǎn)換為反沖質(zhì)子能譜的探測器響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)在0.5MeV～5MeV能段進(jìn)行了實(shí)驗確定。(3)對基于上升時間法和過零法的兩套n-y脈沖形狀甄別電子學(xué)單元的n-y甄別性能進(jìn)行了實(shí)驗比較研究，其中上升時間法n-y甄別單元由商品化的脈沖形狀甄別器ORTEC

6、-552實(shí)現(xiàn)，過零法n-y甄別單元由一系列ORTEC電子學(xué)插件搭建而成。經(jīng)過比較，過零法n-y甄別單元具有更好的n-y甄別性能，為選擇合適的n-y甄別方法建立中子能譜測量系統(tǒng)提供了實(shí)驗依據(jù)。此外，利用閃爍探測器中光電子發(fā)射過程的時間統(tǒng)計模型獲得了基于脈沖形狀粒子甄別的本征n-y甄別性能，為進(jìn)一步開展n-y甄別研究提供了理論指導(dǎo)。(4)在中子產(chǎn)額的監(jiān)測上，除用傳統(tǒng)的伴隨a粒子法進(jìn)行絕對監(jiān)測外，還利用3He長計數(shù)器進(jìn)行了相對監(jiān)測，同時，基于

7、LabVlEW虛擬儀器編程平臺和GPIB儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸總線協(xié)議，利用ORTEC-974定時器/計數(shù)器開發(fā)了一套自動分時計數(shù)虛擬儀器系統(tǒng)，對實(shí)驗測量過程中中子產(chǎn)額的變化和加速器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測。
　　 數(shù)據(jù)分析處理上：(1)基于歐洲核子中心(CERN)開發(fā)的ROOT數(shù)據(jù)處理框架設(shè)計開發(fā)了針對SPARROW多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的離線數(shù)據(jù)分析程序，完成了n-y脈沖形狀甄別譜和脈沖幅度譜二維信息中Y射線事例的離線扣除，避免了傳

8、統(tǒng)的在線扣除y射線事例中因閾值選擇不當(dāng)而造成的大量中子事例的丟失或大量y射線事例的混入。經(jīng)對源中子數(shù)進(jìn)行歸一化以后，完成了分能段測量中高、低兩能段反沖質(zhì)子譜的拼接。(2)針對①5.08×5.08cm的BC50IA型液閃探測器測量的反沖質(zhì)子譜到中子能譜的轉(zhuǎn)換，首次利用MatLab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立了一個線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用05S程序計算的相同尺寸的液閃探測器0.25MeV--16MeV能量間隔為0.25MeV的單能中子的響應(yīng)函數(shù)作為訓(xùn)練樣

9、本完成了對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，通過MC數(shù)據(jù)和利用Am-Be中子源、D-T中子源測量的實(shí)驗數(shù)據(jù)對經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解譜性能進(jìn)行了仔細(xì)的測試，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將MonteCarlo計算或?qū)嶒灉y量的單能或連續(xù)能量分布的探測器響應(yīng)，準(zhǔn)確的反解到入射中子能譜，從而獲得了從測量的反沖質(zhì)子能譜中求解入射中子能譜的一種新的方法。
　　 在此基礎(chǔ)上，利用液閃探測器BC50IA、SPARROW多參數(shù)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和相應(yīng)的電子學(xué)插件建立了一套中子能譜測量系

10、統(tǒng)，測量了D-T中子穿過尺寸為9×100×100(cm)和18×100×100(cm)的聚乙烯平板分別在O度、20度、40度和0度、20度、40度、60度0.5-15MeV的次級中子能譜。D-T中子能量約為15MeV，由中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所PD-300Cockcroft-Walton加速器通過T(d，n)4He反應(yīng)產(chǎn)生。為保證探測器的能量線性，測量分高、低兩個能段分別完成，測量的兩段反沖質(zhì)子譜能量分別為2MeV-15Me

11、V和0.5MeV～4MeV，兩段譜在2MeV～4MeV之間兩者最接近的地方進(jìn)行拼接。與之前完成的類似實(shí)驗測量結(jié)果相比，在各種測量情況下，本底所占的份額和不確定度都得到了顯著的降低，特別是3MeV以下的低能段，同時，測量的有效中子下閡也從1MeV擴(kuò)展到0.5MeV。
　　 利用MCNP5蒙卡計算程序?qū)φ麄€實(shí)驗測量系統(tǒng)采用全模型和簡化模型分別進(jìn)行了MC計算，并對MC計算結(jié)果和實(shí)驗結(jié)果的C/E比進(jìn)行了細(xì)致的比較分析。通過本論文研究工作