D-T中子與聚乙烯材料相互作用的次級中子角度譜實驗研究.pdf

1、在熱核武器和聚變能源研究中，D-T反應是主要的反應模式。因此，由D-T反應產生的中子和次級中子與物質的作用機制和測量方法是中子輸運學研究的重要課題。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。在聚變反應堆或聚變-裂變混合堆包層中子學設計中，次級中子的角分布在中子輸運計算中起重要的作用，與裂變反應堆中的中子行為相比，由于經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，在中子

2、輸運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，還與物體的宏觀尺寸和幾何結構有關。因此，無論是對于核工程設計，檢驗核數(shù)據(jù)庫，中子學設計的計算方法還是物理建模的積分檢驗，相關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，以滿足對相關材料

3、的中子學基準檢驗的要求。
　　 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，其核反應截面等數(shù)據(jù)已經相當完善，利用大體積的聚乙烯樣品進行中子學積分實驗不但可以用于檢驗中子學輸運理論、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基準實驗測量系統(tǒng)作實驗檢驗。本論文主要研究了利用反沖質子法，測量D-T中子與聚乙烯材料作用的次級中子角度譜的實驗方法。在測量技術和數(shù)據(jù)分析處理方面分別開展了如下研究工作。

4、r>　　 測量技術上：(1)利用r-r符合技術，實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確位置處）作能量刻度的能量線性結果進行了分析比較，確認了以康普頓邊的準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置和能量刻度

5、的不確定性，提高了實驗精度。(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函數(shù)進行了細致的研究，對以等效電子能量為單位的脈沖幅度譜轉換為反沖質子能譜的探測器響應函數(shù)數(shù)據(jù)在0.5MeV～5MeV能段進行了實驗確定。(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單元的n-y甄別性能進行了實驗比較研究，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實現(xiàn)，過零法n-y甄別單元由一系列ORTEC電子學插件搭建而成。經過比較，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，為進一步開展n-y甄別研究提供了理論指導。(4)在中子產額的監(jiān)測上，除用傳統(tǒng)的伴隨a粒子法進行絕對監(jiān)測外，還利用3He長計數(shù)器進行了相對監(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)，對實驗測量過程中中子產額的變化和加速器的運行狀態(tài)進行了實時監(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。經對源中子數(shù)進行歸一化以后，完成了分能段測量中高、低兩能段反沖質子譜的拼接。(2)針對①5.08×5.08cm的BC50IA型液閃探測器測量的反沖質子譜到中子能譜的轉換，首次利用MatLab神經網絡工具箱建立了一個線性神經網絡，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的單能中子的響應函數(shù)作為訓練樣

9、本完成了對神經網絡的訓練，通過MC數(shù)據(jù)和利用Am-Be中子源、D-T中子源測量的實驗數(shù)據(jù)對經過訓練的神經網絡的解譜性能進行了仔細的測試，該神經網絡可以將MonteCarlo計算或實驗測量的單能或連續(xù)能量分布的探測器響應，準確的反解到入射中子能譜，從而獲得了從測量的反沖質子能譜中求解入射中子能譜的一種新的方法。
　　 在此基礎上，利用液閃探測器BC50IA、SPARROW多參數(shù)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和相應的電子學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研究所PD-300Cockcroft-Walton加速器通過T(d，n)4He反應產生。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行拼接。與之前完成的類似實驗測量結果相比，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擴展到0.5MeV。
　　 利用MCNP5蒙卡計算程序對整個實驗測量系統(tǒng)采用全模型和簡化模型分別進行了MC計算，并對MC計算結果和實驗結果的C/E比進行了細致的比較分析。通過本論文研究工作