“核-光转换”中子探测器物理结构的优化设计

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1、第33卷第10期核电子学与探测技术Vo1．33No．102013年l0月NuclearElectronics&DetectionTechnologyOct．2013“核一光转换"中子探测器物理结构的优化设计李波均，张建华，彭太平，王立宗，朱学彬(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621900)摘要：针对裂变中子时间谱和总数测量的需求背景和目前中子伽马混合辐射场中脉冲裂变中子测量所面临的技术困难，根据物理过程和探测机理，对“核一光转换中子探测器”测量脉冲中子进行定性分析，并采用Geart4程序进行模拟理论研究，总结出探测器物理结构的最优化参数组合；并加工研制了

2、实验用的”核一光转换中子探测器”，在DPF和强钴源上标定了探测器的中子和伽马灵敏度，理论数据与实验结果的相对比值基本一致，最后通过定性与理论计算相结合的方法，得出了“核一光转换中子探测器”具有中子伽马甄别测量能力高、测量线性范围宽、中子能量响应较为平坦、时间响应较快等优点。关键词：“核一光转换”中子探测器；中子伽马甄别；中子能量响应中图分类号：TL816．3文献标志码：A文章编号：0258-0934(2013)10．1207-04在脉冲中子伽马混合辐射场中，脉冲中子总数与时间谱的测量技术一直倍受大家关注。俄罗斯学者提出了可用于脉冲中子测量的“核一光转换中子探测器”(NO

3、C)⋯。探测器的工作原理是：脉冲中子与铀裂变靶发生作用产生裂变碎片，裂变碎片在气体介质中进行输运，使气体介质激发和电离，从而发射荧光，并通过光纤远程传输并记录。由于为u的裂变截面(图1)在裂变中子能谱的主要区间(0．1～14MeV)变化较小，可以图1U的中子裂变截面使探测器具有较好的中子能量坪响应特性，以通过优化设计探测器的物理结构，使“核一光转换中子探测器”成为n／',／甄别能力较好且具实现对脉冲裂变中子时间谱和总数的较高精度测量。采用Geant4程序建模计算，寻找铀材料有中子能量坪响应特性的探测器。厚度(d)、惰性气体成分、铀靶间距(Z)，腔体直1结构设计的模拟计算

4、及结果径(h)等结构参数(图2)及其组合对探测器裂变中子／^y灵敏度比、中子能量响应等主要物理1．1设计思想特性参数的影响规律，优化出探测器的物理结探测器总的设计原则：在保证n／,／甄别能构参数组合。力的条件下，尽可能提高中子的探测效率，同时1．2铀靶厚度对于铀靶厚度，由数值计算(见表1)和M．收稿日期：2013—06—08c．计算(见图3)可以确定J。俄罗斯的科学作者简介：李波均(1978一)，男，浙江新昌人，助理研家在VIR一2M压水堆所使用的是在圆筒状铝究员，硕士，核技术及应用专业。管内层镀氧化铀的结构，在铝管内层镀的氧化1207s：Is>13，可以认为，具有较好

5、的n／测量信噪比。在0．1—14MeV中子能量区间内，探测器的最大、最小中子灵敏度差异不到一倍。8s：·∥’．、磊40、·．毫’·．-一35．：：．‘一，．‘．．：．1：：：一图5裂变碎片在氖气中的射程分布024681012144．5／,10。shootingenergy／MeV羞4．0×10"”基3．5／10’图7中子伽马能量响应曲线墓3．0x10"”2．5x10”探测器的工作机理是，裂变碎片激发气体董2．0xIO发光，通过光纤传输并收集，而原子核受激裂变‘15xlO”．过程的时间尺度大约为lOS，探测器的响应莒1．0~10”》5．0xlO(f_u【。1hl。口甜d】

6、&等∞器。蠹毫时间主要包括碎片在气体中的输运发光过程和0．08776655443322l54050607080光的收集过程，通常情况下，腔体尺寸较小，光弘widthofNe-0．7arm／mm的收集时间不会超过1ns，所以决定探测器响图6中子伽马沉积能量与腔体直径的关系应时间的是裂变碎片在气体介质中的输运时结构参数：铀靶厚度为4．7mcm。；铀靶间距间。20mm；氖气作为发光介质；腔体直径为铀靶直由裂变碎片的初始动能质量比(见图8)，径0mm；气体压强为latm。探测器研制可知裂变碎片的初始速度大致分布在1．OE+后，在DPF上进行了探测器中子灵敏度标定，07一1．4E

7、+07m／s之间，估算当两铀靶间距在强钴源上进行了射线灵敏度标定，并与M．为20mm时，裂变碎片的输运时间接近1i-Is。C．计算的相对值进行比较(见表4)。可见，在可以认为探测器具有较快的时间响应特性。相同条件下，M．C计算的中子伽马相对灵敏度—-一velocityoffisgonfragmentsf1．6×lO‘‘·r．．-与实际标定的绝对灵敏度之比基本接近。1．4x]0'．．．l、2xt0表4M．C．计算与实验的灵敏度苦1．0／10暑≯8,0xlO‘6．O×l80100120140160A，4——-——ratioofkinefice