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加速器驱动洁净核能系统中子能谱测量的叠层探测技术研究

关注热度:223   来源:新能源学术论文  作者:李义国
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【摘要】:本文利用中子与氢核弹性散射的原理和CR-39探测器记录质子的特性,建立了一种快中子能谱测量方法(叠层探测器)。利用该方法对“14MeV中子+铅球”表面的泄漏中子能谱进行了研究,与活化法测量结果和理论计算结果进行了比对。三者符合较好。该方法有如下特点:1)探测器体积较小,其测量中子能谱的空间分辨高,且可在各向同性的中子场中进行。2)根据所测中子能量需要,作成所测能量的探测器组合,可不用程序解谱直接得到中子能谱。该方法测量中子能谱与其它方法如阈探测器法、飞行时间法相比,其中子能谱的空间和能量分辨率好。 本文分为四个部分。第一部分为绪论。主要介绍了加速器驱动次临界洁净能源系统(ADS)特点和意义以及“启明星1~#次临界装置”的构造和特点,根据“启明星1~#次临界装置”的特点,提出了叠层探测器测量中子能谱的方法。第二部分介绍了中子能谱测量历史和测量方法。从历史和现状看:中子能谱测量分为三个阶段,即:1932—1959,1960—1979和1980—至今;第一阶段主要采用电离室、正比计数器、云室、核乳胶、有机闪烁体、反冲望远镜和俘获门等中子谱仪;第二阶段主要采用Bonner多球法。第三阶段在中子能谱测量中采用了计算机技术。从测量方法看:主要有反冲法、核反应法、飞行时间法、阈探测器法和晶体衍射法等方法,介绍了各自的特点。第三部分介绍了叠层探测器的理论模型及其特性,建立了径迹测量系统和电化学蚀刻装置。1.叠层探测器理论模型,即:聚乙烯(质子产生器)+铅(或铝、金)(质子能量衰减器)+CR-39探测器(质子记录器)。当中子入射到聚乙烯中,中子与聚乙烯中的氢核发生弹性散射,产生的反冲质子通过铅后,将能量衰减,最后射入CR-39探测器中。根据入射中子能量E_n与反冲质子能量E_p的关系,即E_p=E_ncos~2φ,(φ为入射中子方向与反冲质子方向的夹角),通过测量φ方向的反冲质子的能量,求得入射中子的能量。中子与氢核的弹性散射截面采用ENDF/B6数据,中子的能量范围为0-20MeV,划分为95个能量点。利用Henke R.P.et al编写的带电粒子能量一射程程序,分别计算得到了不同能量质子在聚乙烯、铅和CR-39探测器中的射程,质子能量在O-19.5MeV范围内,划分为60个能量点。计算了不同厚度聚乙烯,不同厚度铅衰减器和CR-39探测器组合的能量响应函数以及不同叠层探测器的能量 中国原子能科学研究院硕士(博士)学位论文 分辨率。计算结果表明:1)叠层探测器能量响应与中子能量、聚乙烯和铅的厚度有 关。聚乙烯厚度不变,改变铅的厚度,随着铅的厚度变大,能量响应的峰值变小,而 且峰值的位置向中子能量高的方向移动,能量响应峰的形状也改变。2)铅的厚度不 变,改变聚乙烯的厚度,随着聚乙烯厚度变大,峰值变大,峰值位置向中子能量高的 方向移动,峰的形状也改变。3)叠层探测器能量分辨率与聚乙烯厚度和铅的厚度有 关,当聚乙烯厚度一定时,能量分辨率随铅的厚度增大而变小。而当铅厚度一定时, 能量分辨率随聚乙烯厚度增大而变大。2.对CR一39探测器的特性进行了研究。在一 定化学和电化学蚀刻条件下,CR一39探测器能够记录一定能量范围质子产生的径迹。 电化学蚀刻可以使己经形成的点径迹产生树状径迹,而且随着蚀刻时间变大树状径迹 变大。电化学蚀刻效率比化学蚀刻效率高。3.建立了一套径迹自动测量系统:该系 统由光学显微镜、CCD摄象机、图像采集卡、计算机、打印机、自动位移平台和自 动位移控制器组成。光学显微镜下的光学图像,经安装在显微镜上的CCD摄像机摄 像,变成模拟图像,送入图像采集卡,图像采集卡将模拟图像变换成数字图像,送入 计算机内存,通过图像分析处理,进行径迹的计数和径迹参数的测量。该系统对于径 迹密度大于1000计数/c mZ,其测量重复性误差小于5%,测量一个视野所用时间小于 65。4.建立了一套电化学蚀刻装置:该装置由低频信号发生器、蚀刻槽和恒温加热 器组成。低频信号发生器的主要技术参数为: ·输出频率范围:IHz一IMHz可调。 ·输出波形:正弦波。 ·输出电压:0一1600V(有效电压)可调 此装置可以提供最大电场强度为100kV/em(对300um厚CR一39)。 第四部分研究了”14MeV中子+铅球“表面泄漏中子能谱:1.利用MCNP程序计算 了铅球表面的中子能谱;2.利用叠层探测器和活化法测量了铅球表面的中子能谱,并 将理论计算和实验结果进行了比较。比较结果符合较好,叠层探测测器可以用于快中 子能谱测量。 关键词:各向同性;中子能谱;叠层探测器;电化学蚀刻;
【关键词】:各向同性 中子能谱 叠层探测器 电化学蚀刻
【学位授予单位】:中国原子能科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TL50
【目录】:
  • 摘要(中文)4-6
  • 摘要(英文)Abstract6-9
  • 第一章 绪论9-16
  • 1.1 选题意义9-14
  • 1.2 研究内容14-16
  • 第二章 中子能谱测量历史与现状16-24
  • 2.1 中子能谱测量历史16-17
  • 2.2 中子能谱测量方法17-24
  • 2.2.1 飞行时间法17
  • 2.2.2 氢反冲法17-19
  • 2.2.3 核反应法19-20
  • 2.2.4 阈探测器法20-21
  • 2.2.5 晶体衍射法21-24
  • 第三章 叠层探测器测量中子能谱24-57
  • 3.1 叠层探测器原理24-29
  • 3.1.1.反冲质子的能量24-28
  • 3.1.2 中子与氢弹性散射截面28-29
  • 3.2 CR-39探测器29-36
  • 3.2.1 CR-39探测器物理特性29-32
  • 3.2.2 CR-39探测器蚀刻特性32-35
  • 3.2.3 CR-39探测器记录质子35-36
  • 3.3 径迹测量系统36-39
  • 3.4 叠层探测器特性39-51
  • 3.4.1 叠层探测器39-44
  • 3.4.2 叠层探测器能量响应函数44-50
  • 3.4.3 叠层探测器的能量分辨率50-51
  • 3.5 电化学蚀刻装置51-55
  • 3.5.1 低频信号发生器52-53
  • 3.5.2 蚀刻槽53-54
  • 3.5.3 恒温加热器54
  • 3.5.4 输出电压与频率的关系54-55
  • 3.6 中子能谱55-57
  • 第四章 “14MeV+铅球”表面中子能谱研究57-66
  • 4.1 装置描述57-58
  • 4.2 理论计算58-60
  • 4.3 实验安排和结果60-65
  • 4.4 结果比较65-66
  • 第五章 结论66-68
  • 参考文献68-71
  • 致谢71-72
  • 附录72-90
  • 发表文章90-91


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关键词: 各向同性

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