中子通量及能譜測(cè)量中關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前，中子探測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、測(cè)井、違禁品檢測(cè)、環(huán)境輻射檢測(cè)、醫(yī)學(xué)以及空間粒子環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。然而，無(wú)論是在核物理中子實(shí)驗(yàn)中，還是在工業(yè)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)等眾多領(lǐng)域的中子探測(cè)時(shí)，始終存在著制約中子通量及能譜測(cè)量的幾大因素——中子-γ射線的甄別、強(qiáng)輻射環(huán)境下的中子信號(hào)脈沖堆積、中子能譜測(cè)量的精度不高且求解結(jié)果不穩(wěn)定。由此引出了本文研究的基本問(wèn)題——如何提高中子通量及能譜測(cè)量的精

2、度與效率？圍繞這一問(wèn)題，論文重點(diǎn)研究了如下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：
　　1．中子-γ射線的甄別問(wèn)題。由于中子與周圍環(huán)境的非彈性散射等原因，導(dǎo)致存在中子的場(chǎng)合幾乎都伴隨著大量的γ射線本底，而常用的中子探測(cè)器材料如液體閃爍體對(duì)γ射線也是靈敏的，因此中子-γ射線甄別就成為中子通量及能譜測(cè)量中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?，F(xiàn)有的關(guān)于提高中子-γ射線甄別精度的研究主要集中在改進(jìn)中子-γ射線甄別方法以及探索新型中子探測(cè)器材料這兩方面，均未考慮中子探測(cè)器中將微弱的光信

3、號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的關(guān)鍵器件——光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT）這一影響因素。因此，本文對(duì)中子-γ射線甄別問(wèn)題的研究側(cè)重點(diǎn)在于PMT的性能參數(shù)對(duì)中子-γ射線甄別精度的影響，為基于液體閃爍體探測(cè)器構(gòu)建的中子探測(cè)系統(tǒng)甄選PMT、提高中子-γ射線甄別精度提供參考依據(jù)。
　　2．強(qiáng)輻射環(huán)境下的脈沖堆積問(wèn)題。在強(qiáng)輻射環(huán)境中，中子的計(jì)數(shù)率很高，探測(cè)器輸出的相鄰脈沖時(shí)常會(huì)出現(xiàn)部分甚至全部重合的情況，稱為脈沖堆積。脈沖

4、堆積會(huì)導(dǎo)致脈沖波形以及中子能譜的失真，并降低中子探測(cè)的效率。因此，在強(qiáng)輻射環(huán)境下如何處理脈沖堆積信號(hào)是中子通量及能譜測(cè)量中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的解決脈沖堆積問(wèn)題的方法是采用堆積拒絕電路或雙指數(shù)擬合法。前者直接摒棄堆積的脈沖，限制了系統(tǒng)的脈沖通過(guò)率，同時(shí)增加了系統(tǒng)死時(shí)間。后者可還原部分的原始信號(hào)脈沖，但計(jì)算量大，且不易收斂到最優(yōu)值。因此，本文對(duì)脈沖堆積問(wèn)題的研究主要是在高計(jì)數(shù)率條件下準(zhǔn)確自主地判別脈沖堆積信號(hào)，并最大限度地還原失真的脈沖波

5、形以及中子能譜，降低脈沖堆積引起的能量分辨率損失，同時(shí)提高中子的探測(cè)效率。
　　3．中子能譜的測(cè)量問(wèn)題。由于中子探測(cè)器測(cè)量得到的微分脈沖幅度譜是探測(cè)器固有響應(yīng)函數(shù)與入射中子能譜的第一類Fredholm積分，因此中子能譜測(cè)量實(shí)際上轉(zhuǎn)化為利用中子的脈沖幅度譜和探測(cè)器固有響應(yīng)函數(shù)求解一個(gè)高維病態(tài)線性方程組問(wèn)題（方程式和未知數(shù)的個(gè)數(shù)多達(dá)幾十或上百個(gè)）。此類方程組求解難度大，結(jié)果不穩(wěn)定且可能出現(xiàn)負(fù)值，導(dǎo)致其不符合中子能譜的實(shí)際物理意義。因此

6、，如何準(zhǔn)確地求解中子能譜是中子探測(cè)中的又一關(guān)鍵問(wèn)題。常規(guī)的中子解譜方法如截?cái)嗥娈愔捣纸夥ā⒄齽t化法等存在求解精度較低、易陷入局部最優(yōu)解、結(jié)果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此，本文對(duì)中子能譜測(cè)量問(wèn)題的研究主要是利用軟件計(jì)算探測(cè)器固有響應(yīng)函數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和信號(hào)處理獲取中子的脈沖幅度譜，最后基于新型的中子解譜方法準(zhǔn)確地反演中子能譜。
　　針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，論文在國(guó)內(nèi)外首次評(píng)估了PMT對(duì)中子-γ射線甄別性能的影響，提出了一種基于液體閃爍體BC501