涂硼稻草管中子多重性计数器质量属性测量能力模拟研究.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 涂硼稻草管中子多重性计数器质量属性测量能力模拟研究卢云锋，张全虎，姚青 旭，王宇，俞汪涛（火箭军工程大学核工程学院，西安）摘要：利用程序模拟搭建了一种基于涂硼稻草管的中子多重性计数器，模拟了涂硼稻草管中子多重性计数器轴向截面及径向截面的探测效率变化，并对半径为的球体钚样品质量属性模拟测量。结果表明该探测系统对坏样品质量属性的测量结果整体偏小，将数据平均值经最小二乘拟合修正后，对半径下的钚样品分别模拟次，最大质量偏差小于，符合样品测量的要求。关键词：涂硼稻草管；中子多重性计数器；质量属性测量中图分类号：文献标志码：文章编号：（）核武器质量属性的测量是核裁军核查手段中重要的一环，当前对其测量最有效的方法是中子多重性测量方法。国际上中子多重性测量最成熟的探测器是基于气体探测器组成的中子多重性计数器。但是气体来源于美俄核武器库的衰变，产量逐年降低，且中子探测领域的发展对其需求大量增加，导致获取难度不断提高，成本大大増加，国际上又提出对气体替代研究。其中涂硼稻草管由于其对热中子具有较大吸收截面、材料容易获取、探测性能稳定、安全方面更加突出等优点，逐渐成为研究重点。基于涂硼稻草管的中子多重性测量分析方法也成为一种新型替代中子多重性测量的核材料无损分析方法。本文基于探测器的中子多重性测量方法，开展了对涂硼稻草管中子多重性测量的方法研究。通过研究涂硼稻草 管探测中子的原理，模拟了次级带电粒子进入探测气体的能收稿日期作者简介：卢云锋（），男，重庆万州人，在读硕士研究生，攻读方向为核技术与核军控核查研究。量，计算了带电粒子在涂层中的平均飞行时间，其结果远小于探测器衰退时间，提出 了利用中子吸收时间替代中子探测 时间进行多重性计算，大大提高了计算效率。利用与的有效结合，实现了利用基于涂硼稻草管的中子多重性计数器对中子多重性全过程的模拟测量。测量方法中子多重性简介核材料在裂变时会同时发射数目不同的中子。对于不同质量、不同种类的核素其分布规律特点不相同，因此可以根据裂变中子的多重性分布来对核材料质量属性进行认证。中子多重性方法是基于此原理发展而来的一种无损检测方法。利用建立好的探测装置对核材料的裂变中子进行探测，记录下中子的时间信息，每一个被探测到的中子时间信息生成中子时间脉冲序列。通过编程的方式对脉冲时间进行符合分辨处理。得到中子的一重、二重、三重计数率。而后通过基于“点模型”的测量方程进行求解，主要方程见式（）、式（）、式（）：（）（）（十；（丄（？（）（）（）式中：和、分别为自发诱发裂变的一二三阶矩，对于不同的核材料有着特定的估算值七？财分别为探测效率发裂 变率、样品质量、中子增值系数、（，）出射率；，和，分别为二重、三重符合门宽。其计算公式如式（）、式（）。，（）（），（）式中：为探测器衰退时间；为符合门宽；为预延迟。利用中子多重性移位寄存器（）处理中子时间脉冲序列得到、）、进而代人上述方程求出核材料的质量探测效率、衰退时间需要在测量前对探测器进行标定。涂硼稻草管原理涂硼稻草管结构如图所示，基础结构是细长圆柱形探测管。探测器直径、管子长度、涂层厚度可根据需求进行设计。模拟涂硼稻草管长度，直径，管壁为厚招基材，内壁涂有厚含有丰度的涂层。利用基础型稻草管在慢化介质中进行一定的排布，并将探测器中心阳极丝信号连接至电子学器件，简单的探测器系统得以搭建。核材料裂变发射出的中子在慢化剂中多次散射损失能量，逐渐慢化成热中子。在逐渐慢化中，由于低能端速度的倒数与涂层中的原子反应截面成反比。将有一定可能被稻草管涂层吸收，发生核反应如式（）生成两个次级带电粒子，根据能量守恒和动量守恒，两个次级带电粒子将向着相反两个方向发射，其中一个会向着管内气体方向，根据产生位置将有一定图涂硼稻草管结构示意图概率从涂层中出射进入探测气体。而后带电粒子在探测气体中运动，引起气体电离，同时沉积能量，形成电脉冲信号，实现对中子的探测。（）（）（）模拟方法中子多重性模拟测量流程如图所示，通过搭建好稻草管的多重性计数器模型，而后设置样品信息、设置模拟计数信息，然后运行得到核材料裂变中子俘获时间。在软件中对输出数据进行处理，取出 中子时间信息。由于程序模拟的探测 时间是中子从自发裂变发射到被 探测器探测到的时间，而处理的信号是一条基于同一时间起点的脉冲序列，需要对收集到的脉冲信号进行处理。核材料自发裂变的时间服从式（）的泊松分布。（）式中：为平均时间 间隔的倒数，等于样品 的自发裂变率乘以样品质量。这样可通过生成每一次裂变发生的时间信息，再加上中的探测时间就得到基于同一时间起点的中子脉冲时间序列。中子多重性测量为了减小统计涨落带来的误差，通常测量时间达到以上，本模拟测量时间设置为。模拟过程中，以球体样品测量为例，其裂变次数需达到万次，大量粒子的模拟会耗费大量时间，所以考虑利用模拟中子被吸收的时间作为探测时间，可以大大提高模拟效率。用中子被吸收时间来替代探测器探测到带电粒子时间需中沉积能量的时间远小于探测器衰退时间以及要满足带电粒子从产生到进入稻草管探测气体计算出探测器中子转换效率。图模拟中子多重性测量流程图中子多重性分析过程中利用功能将相关与不相关事件进行分辨。其原理如图，每一个脉冲信号触发一个即时的门宽和一个长延时后的门宽，统计两个符合门宽内的脉冲个数。直接触发的门宽内包括真符合事件和偶然符合事件，而经过一个长延时后触发的门宽只包含了偶然符合事件。在实际测量中通常有个参数，分别是符合门宽、预延时、死时间、长延时。在本文中设置符合门宽和长延时分别为畔，叫。模拟是一种理想情况，所以设置预延迟和死时间都为。利用模拟的处理中子时间脉冲序列得到样品多重性分布，进而计算探测器对样品 的一、二、三重计数率，带人中子多重性测量方程，求解样品质量。为降低测量中的不确定性，对测量过程重复次，并记录下每一次模拟计算的值，对？，、长延 时（图原理图计算次的值取平均值，对样品测量平均值进行最小二乘拟合，得到拟合函数。对模拟结果乘以修正函数，即可得到修正后的测量值。仿真实验探测模型搭建中子多重性计数器中，定义为探测效率与根号下的衰退时间之比，较大的可以得到较小的不确定度。所以在探测器设计中，通常将这两个参数作为探测器指标。本文设计的布局采用圈根稻草管进行排列，如图所示，内部空腔为半径、高的圆柱体。放射源设置为直径的球体 自发裂变，裂变次数设置万次。计算探测效源，置于探测器空腔中心。在中设置为率、衰退时间及，结果见表。表探测器性能半径吸收效率衰退时间？由表可知，同一探测器的探测效率及衰退时间会随样品大小发生变化，这是由于随着样品的增大，会诱发裂变增加，能谱发生变化。另外，探测器的空间分布也存在一定的影响，样品在空腔内放置的位置不同对应的探测效率也不相同。由于探测器探测效率及衰退时间是提前标定好的固定的值，对于不同大小的样品测量由于对初始参数设置的误差会产生不同的计算误差。空间效率曲线中子多重性计数中，为减少测量样品放置位置的偏差产生的测量误差，希望探测器内部空间效率能够平坦，所以空间效率响应也成为了探测器一种指标。中子多重性计数器呈对称分布，一般存在轴向及径向两个自由度。在选取的探测布局下，开展了对探测器中心的径向及轴向探测效率的模拟。结果见图。（）（）图探测器空腔示意（）径向（）轴向（）探测效率（由图可知，径向探测效率在半径内较为平坦，且随着径向偏移的距离增加而增大。轴向探测效率在中心区域也较为平坦，随着轴向偏移距离增加探测效率减小。在中子多重性测量时，样品放置在探测器中心径向偏差尽量低于，轴向偏差尽量低于。被动 法测最钚样品被动中子多重性测量不需要额外的中子源。对于质量数为偶数的核，由于衰变，具有较高的自发裂变率。通常，钚材料的测量，直接将样品置于探测器中，用中子多重性方法计算的某种偶同位素等效质量，然后通过测量得到其等效质量分数，进而计算出样品质量。探测器衰退时间可以解释为中子被探测器探测到的平均时间，本文通过模拟的方式得到。涂硼稻草管吸收中子产生的次级粒子穿过涂层进入探测气体就开始对气体分子进行电离和激发。模拟两种次级粒子进人探测器气体的能量如图、图所示，可以得到粒子平均出射能量小于粒子平均出射能量，约为量次的质量偏差绘制如图所示，并连接出次中的最大误差。对图中测量次质量偏差平均值进行最小二乘拟合如图所示。纏图粒子进人探测气体时能量分布带电粒子穿过涂层后的能量呈高斯分布，通过模拟得到粒子能量衰减到时穿过的涂层厚度约 为，的粒子其速度可以达到约，穿过厚涂层所需时间为，远小于探测器衰退时间，即绝大部分粒子被探测器探测到的时间几乎为中子被（吸收时间。在计算探测器探测效率和保留探测数据时都需要乘以转换效率。涂硼稻草管探测器中子转换效率只与涂层厚度和密度有关。对含量，中子转换效率按照文献提出方法进行计算，得到的转换效率约为。测量结果分析在探测器布局的研究中发现，探测器探测表样品自发裂变万次的中子多重性分布中子俘获重数 将表中数据带入方程计算出探测器对样品 的、）、。而后带入式（）、式（）和式（）？求解出样品的质量信息。将样品测图粒子进人探测气体时能量分布效率和衰退时间会随着测量样品的大小发生变化。实际测量中这两个参数是探测器的固定指标，本测量探测效率为，衰退时间叫。自发裂变和诱发裂变的一、二、三阶矩也是一个估算的值。模拟的样品自发、诱发 裂变一、二、三阶矩的值分别取、。中子转化效率。在中对样品进行模拟，分析其多重性分布。经过模拟处理得到的样品由裂变万次发射的中子被吸收的中子多重性分布如表所示。：（图测量次质量偏差 质量图修正后测量次的相对误差结论本文开展了涂硼稻草管中子多重性计数器在属性测量方法上的模拟，研究了涂硼稻草管吸收中子产生的次级带电粒子进入探测气体的 质量图次测量偏差平均值及拟合曲线由图可知，模拟的探测器在核材料质量属性的测量上，整体测量值略低于样品值，且误差较为集中。为了模拟测量值能够更加接近预设样品真实质量，减小探测器初始参数对结果的影响，对次测量结果求取平均值，再对其进行拟合。最终将测量值除以拟合函数，就可以得到修正后的测量结果。将次测量值进行修正后绘制如图所示。由图可知，测得的质量偏差在真实值左右，且偏差值在以内。具有较好的被动质量属性测量能力。能量，其结果表明可用中子吸收时间代替中子探测时间。计算了本文研究的稻草管中子转换效率，并对吸收中子序列进行处理得到探测中子信息。利用搭建好的模型对半径的球体纯样品进行仿真，对最终结果进行修正后，其测量偏差 不大于。结果表明，涂硼稻草管可用于中子多重性计数器设计，方法只需要在原有气体探测器方法上稍加更改。此外，本文在探测器布局上没有进行优化设计，有待进一步研究。下一步还将对大质量金属钚样品在模拟上存在的偏差情况及解决方案进行研究。参考文献：，（）：，？，（）：易凌帆，颜拥军，周剑良，等利用模拟中子多重性脉冲序列采集核电子学与探测技术，（）：左文明，张全虎，庄琳，等中子多 重性计数器探测效率空间分布研究核电子学与探测技术，（）：，陈個涂硼稻草管中子探测器若千问题的理论模拟与实验测试北京：清华大学，修的次 枏 对议差和对误羌最人上偏茇相时误大下偏关。裏一，（，）：，：；