D-T中子与聚乙烯材料相互作用的次级中子角度谱实验研究

摘要

在热核武器和聚变能源研究中，D-T反应是主要的反应模式。因此，由D-T反应产生的中子和次级中子与物质的作用机制和测量方法是中子输运学研究的重要课题。中子角度谱，即中子能量分布与角度分布，是理解与核工程有关的大体积系统中中子行为的最基本的物理量之一。在聚变反应堆或聚变-裂变混合堆包层中子学设计中，次级中子的角分布在中子输运计算中起重要的作用，与裂变反应堆中的中子行为相比，由于经大体积轻核材料作用后D-T聚变中子的各向异性散射比较强，在中子输运计算中必须考虑次级中子的角度分布。这种宏观物体的次级中子角分布与微观物体的有所不同，这是因为在宏观物体中高能中子会被多次散射，对评价截面数据更加敏感。此外，角分布不仅与散射核素、中子能量有关，还与物体的宏观尺寸和几何结构有关。因此，无论是对于核工程设计，检验核数据库，中子学设计的计算方法还是物理建模的积分检验，相关材料中子角度谱的测量都具有极其重要的意义。这就迫切要求我们建立一套合适的中子能谱测量系统和数据处理方法，以满足对相关材料的中子学基准检验的要求。
　　 聚乙烯是中子物理中重要的一种屏蔽和慢化材料，它主要由C、H元素组成，其核反应截面等数据已经相当完善，利用大体积的聚乙烯样品进行中子学积分实验不但可以用于检验中子学输运理论、计算方法、核数据库以及模拟程序，还可用于对建立的中子学基准实验测量系统作实验检验。本论文主要研究了利用反冲质子法，测量D-T中子与聚乙烯材料作用的次级中子角度谱的实验方法。在测量技术和数据分析处理方面分别开展了如下研究工作。
　　 测量技术上：(1)利用r-r符合技术，实验上测定液闪探测器(5.08cm×5.08cm的BC50IA型)的康普顿反冲电子谱的康普顿边的准确位置(0.90±0.05处)，并获得了探测器的能量分辨函数。同时，对利用康普顿反冲电子谱的不同位置（峰值处、半高度处和康普顿边的准确位置处）作能量刻度的能量线性结果进行了分析比较，确认了以康普顿边的准确位置做能量刻度得到最好的能量线性，减少了在能谱测量过程中对中子有效测量阈值设置和能量刻度的不确定性，提高了实验精度。(2)利用含25℃f自发裂变中子源的快裂变室，采用飞行时间技术和离线数据分析方法对液闪探测器的相对探测效率和响应函数进行了细致的研究，对以等效电子能量为单位的脉冲幅度谱转换为反冲质子能谱的探测器响应函数数据在0.5MeV～5MeV能段进行了实验确定。(3)对基于上升时间法和过零法的两套n-y脉冲形状甄别电子学单元的n-y甄别性能进行了实验比较研究，其中上升时间法n-y甄别单元由商品化的脉冲形状甄别器ORTEC-552实现，过零法n-y甄别单元由一系列ORTEC电子学插件搭建而成。经过比较，过零法n-y甄别单元具有更好的n-y甄别性能，为选择合适的n-y甄别方法建立中子能谱测量系统提供了实验依据。此外，利用闪烁探测器中光电子发射过程的时间统计模型获得了基于脉冲形状粒子甄别的本征n-y甄别性能，为进一步开展n-y甄别研究提供了理论指导。(4)在中子产额的监测上，除用传统的伴随a粒子法进行绝对监测外，还利用3He长计数器进行了相对监测，同时，基于LabVlEW虚拟仪器编程平台和GPIB仪器控制和数据传输总线协议，利用ORTEC-974定时器/计数器开发了一套自动分时计数虚拟仪器系统，对实验测量过程中中子产额的变化和加速器的运行状态进行了实时监测。
　　 数据分析处理上：(1)基于欧洲核子中心(CERN)开发的ROOT数据处理框架设计开发了针对SPARROW多参数数据采集系统的离线数据分析程序，完成了n-y脉冲形状甄别谱和脉冲幅度谱二维信息中Y射线事例的离线扣除，避免了传统的在线扣除y射线事例中因阈值选择不当而造成的大量中子事例的丢失或大量y射线事例的混入。经对源中子数进行归一化以后，完成了分能段测量中高、低两能段反冲质子谱的拼接。(2)针对①5.08×5.08cm的BC50IA型液闪探测器测量的反冲质子谱到中子能谱的转换，首次利用MatLab神经网络工具箱建立了一个线性神经网络，并利用05S程序计算的相同尺寸的液闪探测器0.25MeV--16MeV能量间隔为0.25MeV的单能中子的响应函数作为训练样本完成了对神经网络的训练，通过MC数据和利用Am-Be中子源、D-T中子源测量的实验数据对经过训练的神经网络的解谱性能进行了仔细的测试，该神经网络可以将MonteCarlo计算或实验测量的单能或连续能量分布的探测器响应，准确的反解到入射中子能谱，从而获得了从测量的反冲质子能谱中求解入射中子能谱的一种新的方法。
　　 在此基础上，利用液闪探测器BC50IA、SPARROW多参数数据获取系统和相应的电子学插件建立了一套中子能谱测量系统，测量了D-T中子穿过尺寸为9×100×100(cm)和18×100×100(cm)的聚乙烯平板分别在O度、20度、40度和0度、20度、40度、60度0.5-15MeV的次级中子能谱。D-T中子能量约为15MeV，由中国工程物理研究院核物理与化学研究所PD-300Cockcroft-Walton加速器通过T(d，n)4He反应产生。为保证探测器的能量线性，测量分高、低两个能段分别完成，测量的两段反冲质子谱能量分别为2MeV-15MeV和0.5MeV～4MeV，两段谱在2MeV～4MeV之间两者最接近的地方进行拼接。与之前完成的类似实验测量结果相比，在各种测量情况下，本底所占的份额和不确定度都得到了显著的降低，特别是3MeV以下的低能段，同时，测量的有效中子下阂也从1MeV扩展到0.5MeV。
　　 利用MCNP5蒙卡计算程序对整个实验测量系统采用全模型和简化模型分别进行了MC计算，并对MC计算结果和实验结果的C/E比进行了细致的比较分析。通过本论文研究工作，改进和发展了次级中子角度谱实验测量技术，检验了实验测量方法和数据分析方法的可靠性，为开展聚变一裂变混合堆物理设计的中子学积分检验、中子物理学项目相关研究提供了良好的实验手段。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 中子学积分实验

1.3 次级中子能谱的研究进展

1.4 本论文的研究内容和研究目标

第2章 实验设计

2.1 实验方法

2.2 实验装置

2.2.1 中子源

2.2.2 聚乙烯平板

2.2.3 阴影锥

2.2.4 准直器-屏蔽体系统

2.2.5 探测器系统

第3章 测量技术

3.1 中子产额监测

3.1.1 伴随a粒子法绝对中子产额监测

3.1.2 He长计数器相对中子产额监测

3.1.3 基于LabVIEW的分时计数监测

3.2 液闪探测器的能量刻度

3.2.1 利用标准Y源的能量刻度方法

3.2.2 利用r-r符合技术对BC501A液闪探测器进行能量刻度

3.3 液闪探测器相对探测效率和响应函数的实验测量

3.3.1 实验方法

3.3.2 实验装置和实验过程

3.3.3 离线数据分析处理方法和实验结果

3.4 n-r甄别

3.4.1 n-r甄别方法

3.4.2 基于上升时间法和过零法的两种n-r甄别单元的性能比较

3.4.3 脉冲形状n-r甄别的理论计算

3.5 神经网络解反冲质子能谱

3.5.1 神经网络解谱原理

3.5.2 探测器响应函数的产生

3.5.3 解谱能力性能测试

第4章 D-T中子与聚乙烯材料相互作用的次级中子角度谱实验研究

4.1 实验测量

4.2 离线数据处理

4.2.1 r射线事例对脉冲幅度谱贡献的扣除

4.2.2 高、低两段反冲质子能谱的拼接

4.2.3 反冲质子能谱的解谱

4.3 MCNP模拟计算

4.4 结果和讨论

4.4.1 实验结果分析

4.4.2 实验结果和MCNP5模拟计算结果的比较

4.4.3 实验不确定度分析

第5章 总结和展望

5.1 总结

5.2 工作展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢