中子通量及能譜測量中關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前，中子探測已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、測井、違禁品檢測、環(huán)境輻射檢測、醫(yī)學(xué)以及空間粒子環(huán)境探測等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。然而，無論是在核物理中子實(shí)驗(yàn)中，還是在工業(yè)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)等眾多領(lǐng)域的中子探測時，始終存在著制約中子通量及能譜測量的幾大因素——中子-γ射線的甄別、強(qiáng)輻射環(huán)境下的中子信號脈沖堆積、中子能譜測量的精度不高且求解結(jié)果不穩(wěn)定。由此引出了本文研究的基本問題——如何提高中子通量及能譜測量的精

2、度與效率？圍繞這一問題，論文重點(diǎn)研究了如下關(guān)鍵技術(shù)問題：
　　1．中子-γ射線的甄別問題。由于中子與周圍環(huán)境的非彈性散射等原因，導(dǎo)致存在中子的場合幾乎都伴隨著大量的γ射線本底，而常用的中子探測器材料如液體閃爍體對γ射線也是靈敏的，因此中子-γ射線甄別就成為中子通量及能譜測量中的一個關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的關(guān)于提高中子-γ射線甄別精度的研究主要集中在改進(jìn)中子-γ射線甄別方法以及探索新型中子探測器材料這兩方面，均未考慮中子探測器中將微弱的光信

3、號轉(zhuǎn)化為電信號的關(guān)鍵器件——光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT）這一影響因素。因此，本文對中子-γ射線甄別問題的研究側(cè)重點(diǎn)在于PMT的性能參數(shù)對中子-γ射線甄別精度的影響，為基于液體閃爍體探測器構(gòu)建的中子探測系統(tǒng)甄選PMT、提高中子-γ射線甄別精度提供參考依據(jù)。
　　2．強(qiáng)輻射環(huán)境下的脈沖堆積問題。在強(qiáng)輻射環(huán)境中，中子的計(jì)數(shù)率很高，探測器輸出的相鄰脈沖時常會出現(xiàn)部分甚至全部重合的情況，稱為脈沖堆積。脈沖

4、堆積會導(dǎo)致脈沖波形以及中子能譜的失真，并降低中子探測的效率。因此，在強(qiáng)輻射環(huán)境下如何處理脈沖堆積信號是中子通量及能譜測量中的一個關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的解決脈沖堆積問題的方法是采用堆積拒絕電路或雙指數(shù)擬合法。前者直接摒棄堆積的脈沖，限制了系統(tǒng)的脈沖通過率，同時增加了系統(tǒng)死時間。后者可還原部分的原始信號脈沖，但計(jì)算量大，且不易收斂到最優(yōu)值。因此，本文對脈沖堆積問題的研究主要是在高計(jì)數(shù)率條件下準(zhǔn)確自主地判別脈沖堆積信號，并最大限度地還原失真的脈沖波

5、形以及中子能譜，降低脈沖堆積引起的能量分辨率損失，同時提高中子的探測效率。
　　3．中子能譜的測量問題。由于中子探測器測量得到的微分脈沖幅度譜是探測器固有響應(yīng)函數(shù)與入射中子能譜的第一類Fredholm積分，因此中子能譜測量實(shí)際上轉(zhuǎn)化為利用中子的脈沖幅度譜和探測器固有響應(yīng)函數(shù)求解一個高維病態(tài)線性方程組問題（方程式和未知數(shù)的個數(shù)多達(dá)幾十或上百個）。此類方程組求解難度大，結(jié)果不穩(wěn)定且可能出現(xiàn)負(fù)值，導(dǎo)致其不符合中子能譜的實(shí)際物理意義。因此

6、，如何準(zhǔn)確地求解中子能譜是中子探測中的又一關(guān)鍵問題。常規(guī)的中子解譜方法如截斷奇異值分解法、正則化法等存在求解精度較低、易陷入局部最優(yōu)解、結(jié)果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此，本文對中子能譜測量問題的研究主要是利用軟件計(jì)算探測器固有響應(yīng)函數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)和信號處理獲取中子的脈沖幅度譜，最后基于新型的中子解譜方法準(zhǔn)確地反演中子能譜。
　　針對上述關(guān)鍵技術(shù)問題，論文在國內(nèi)外首次評估了PMT對中子-γ射線甄別性能的影響，提出了一種基于液體閃爍體BC501