脉冲快热中子分析探雷系统的源中子慢化技术研究.pdf

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1、第34卷第1期核电子学与探测技术Vo1．34No．12014年1月NuclearElectronics&DetectionTechnologyJan．2014脉冲快热中子分析探雷系统的源中子慢化技术研究丁阁，郝樊华，储诚胜，曾军，向清沛，雷家荣，胡广春(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：脉冲快热中子分析(PFI'NA)是一种先进的可对块状物品进行成份分析的无损检测技术，它在探雷中扮演着最终决策的重要角色，但对N元素的探测速度过慢一直是该技术的短板。在PFI'NA探雷实验中，为了提升对可疑目标物中N元素的探测速度，采用MCNP5程序为脉冲D

2、—T中子发生器设计了全新的石墨慢化体。模拟计算结果表明，该石墨慢化体的引入可以有效提高脉冲滞空内目标物中慢、热中子注量，从而较大程度地提升对N元素的探测速度。开展了该慢化体慢化效能的验证实验，实验结果与理论计算符合良好，表明中子源石墨慢化体的引入，能明显提升PFI"NA探雷系统对N元素的探测速度。关键词：脉冲快热中子分析；地雷探测；中子慢化；蒙卡模拟中图分类号：0571．53文献标志码：A文章编号：0258-0934(2014)01-0045-06在全球超过7O个国家的国土下，至今还埋序测量技术分别测量快中子非弹能谱(简称藏着大量的战后残余地雷，2010年，全球有“快谱

3、”)和热中子俘获能谱(简称“热谱”)，4200人(相当于每天11人)因这些地雷而丧失实现对目标物中元素含量比的精确分析。生命J。目前，在探雷技术方面已经开展了大在脉冲宽度(快窗)内，中子发生器产生量的研究工作，在众多的探雷方法中，核技术探14．1MeV的高能中子；在脉冲滞空时间(热窗)内，无中子产生，但脉冲宽度内产生的高能雷作为一种先进的无损检测技术，展现出了诸中子经过周围背景介质及目标物慢化以后，成多的优势，包括可进行元素甄别、检测速度快、为慢、热中子。快窗内中子发生器产生高能中无残留效应等J。脉冲快热中子分析(Pn’．子，主要与目标物中的C、O元素发生非弹性散NA，

4、PulsedFast／ThermalNeutronAnalysis)一射，放出的非弹性特征被探测系统收集并存是最具代表性的核技术探雷方法，它从理念上为快中子诱发谱，用于目标物中C、O元素含量同时继承了热中子分析(TNA)和快中子分的分析；热窗内高能中子经土壤、目标物慢化后析(FNA)[的优点，利用了包括非弹性散射、成为慢、热中子，主要与目标物中N、H元素发热中子俘获和中子活化在内的大量核反应。采生俘获反应，放出的俘获特征射线被探测系用脉冲d—T中子发生器作为中子源，利用时统收集并存为热中子诱发谱，用于目标物中N、H元素含量的分析。收稿日期：2012一l2—14PFTNA

5、技术被广泛应用于工业领域，如煤作者简介：丁阁(1987一)，男，重庆江津人，在读硕士炭品质分析、水泥成分分析等；公共安全领域，研究生，主要从事核技术应用研究。通信作者：储诚如毒品检测、炸药检测、生化毒剂检测等；军事胜(1974一)，男，副研究员，硕士，主要从事核技术应领域，如人道主义探雷、未爆炸军火排查等。美用研究，Email：Chuchsh@tom．com。国西部肯塔基州立大学开展PFTNA技术研究45超过20年，在探雷领域已开发了四代脉冲中子为与目标物中的中子注量成反比。元素分析仪(PELANLMI一Ⅳ)。国内1．2慢化体设计PFFNA探雷技术的发展起步晚，尚有许多

6、难点1．2．1慢化体构型设计需要攻克，其中一项关键技术就是如何提升目PFTNA探雷系统采用脉冲D—T中子发生标物中N元素的探测速度。在热窗内，若仅依器作为中子源，中子能量为14MeV，脉冲频率靠土壤及目标物自身的慢化，热窗内慢、热中子0～10kHz可调，脉冲宽度最小可到l0s。中注量比快窗内高能中子注量小1个数量级，加子发生器的形状为9．8cmX90cm的圆柱体，之N元素俘获截面较小，其1O．83MeV的特征靶点位于距前端20cm的中心处，中子可近似射线探测效率低，导致热谱测量N元素特征认为从靶点处向47r方向各向同性出射，靶外信号较弱、测量所需时间过长。本文在西肯大是

7、2．35cm厚的陶瓷与2．55cm厚的硅油，其研究工作的基础上为中子源引入慢化体，提高剖面图见图1(a)。为了充分慢化高能源中子，热窗内慢、热中子注量，从而提升N元素的探慢化体设计成如图l(b)的构型。慢化体长度测速度。为40cm，在使用时中子发生器的靶点位于慢化体中心，慢化体背部为弧形，下端面与右端面互1慢化体设计与模拟计算为垂直切面。为了确保快窗内快中子通量不受1．1核素探测时间()影响，在慢化体中心处开一个10cm长的向下为了定量地衡量PFFNA探雷系统对目标60。的开口，作为高能中子通道。源中子主要存物中N元素的探测速度，引人核素