中子能譜快速測(cè)量

雷明(海軍裝備部，山西 太原，030000)

馮曉波，安艷龍，劉建忠(中國(guó)輻射防護(hù)研究院，山西 太原，030006)

0 引言

中子劑量的監(jiān)測(cè)面臨著許多困難，主要是由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的中子能量范圍較寬，并伴隨光子。中子注量-劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)隨能量變化差異較大，最大可差2個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。傳統(tǒng)的中子劑量率儀對(duì)快中子及高能中子響應(yīng)較低，劑量能量響應(yīng)曲線不理想；通過(guò)中子能譜測(cè)量，再經(jīng)注量-劑量轉(zhuǎn)換可以相對(duì)準(zhǔn)確地測(cè)量中子劑量。

利用多球譜儀測(cè)量中子能譜是目前成熟度最高的中子能譜方法。但是，由于多球譜儀測(cè)量時(shí)需要將每個(gè)慢化球依次搬運(yùn)到測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，過(guò)程繁瑣，在實(shí)時(shí)變化的輻射場(chǎng)難以取得較好的測(cè)量效果。本文以中子能譜快速測(cè)量技術(shù)為核心設(shè)計(jì)了一款一體化的多球譜儀，在Am-Be參考輻射場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)中子能譜快速測(cè)量。

1 多球譜儀測(cè)量中子能譜原理

中子能譜測(cè)量原理可用以下方程來(lái)描述：

(1)

慢化球的個(gè)數(shù)最多不超過(guò)20，而求得中子注量譜往往需要幾十至幾百個(gè)，在確定中子注量譜分布的解譜過(guò)程中，實(shí)際上是從無(wú)窮多個(gè)解求最優(yōu)的過(guò)程[3]。普通的解方程方法無(wú)法求解，需要增加約束條件，如中子譜在測(cè)量范圍之內(nèi)是連續(xù)光滑且非負(fù)的，某些能量段中子譜可用數(shù)學(xué)函數(shù)表示等，使解譜結(jié)果無(wú)限逼近真實(shí)值。

2 中子能譜快速測(cè)量技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)中子能譜的快速獲取，本文采用7路通道同時(shí)工作的方式進(jìn)行測(cè)量，每路通道由3He正比計(jì)數(shù)器及慢化球組成，1～7號(hào)慢化球交叉分布于儀器中心軸兩側(cè)，距中心軸距離分別為11.5、13.25、14.5、13.5、15、17、16 cm，所有慢化球球心位于同一平面，如圖1所示。

圖1 慢化球分布圖

儀器主要在均勻輻射場(chǎng)使用，使用時(shí)盡可能使測(cè)試點(diǎn)中子入射方向與慢化球球心所在平面垂直。使用此技術(shù)，極大地縮短了中子能譜的測(cè)量時(shí)間(假設(shè)普通多球譜儀使用11個(gè)慢化球，則一體化多球譜儀測(cè)量時(shí)間僅為普通多球譜儀的1/11)，大大降低了工作人員的受照風(fēng)險(xiǎn)。

3 能量響應(yīng)曲線模擬

為保證一體化多球譜儀在熱中子～20 MeV范圍有較好的能量響應(yīng)，按照?qǐng)D2所示的照射方式，用蒙卡模擬不同直徑慢化球的能響曲線。經(jīng)過(guò)模擬，確定慢化球尺寸列于表1。

圖2 慢化球模擬計(jì)算模型

表1 慢化體尺寸及材質(zhì)

由于聚乙烯慢化體對(duì)中子有散射和慢化作用，每個(gè)慢化球的計(jì)數(shù)會(huì)受到其他慢化球的影響[4]。單獨(dú)模擬每個(gè)球的響應(yīng)曲線存在較大誤差，因此需要以7個(gè)慢化球?yàn)檎w建立模型，模擬平行中子束對(duì)儀器照射時(shí)每個(gè)慢化球的能量響應(yīng)曲線。平行中子束入射方向與7個(gè)慢化球球心平面垂直，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 一體化多球譜儀的能量響應(yīng)曲線

4 解譜軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)中子能譜的在線解譜，本文設(shè)計(jì)了一款解譜軟件。解譜軟件有測(cè)量及解譜兩種模式，測(cè)量模式下測(cè)量區(qū)域可同時(shí)顯示7路通道測(cè)得的計(jì)數(shù)率值，測(cè)量完成后切換解譜模式，根據(jù)輻射場(chǎng)信息選擇預(yù)置譜、解譜算法及迭代次數(shù)，解譜即可顯示測(cè)量譜形及周?chē)鷦┝慨?dāng)量率等信息。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證一體化多球譜儀性能，在Am-Be中子參考輻射場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。將解譜能譜與Am-Be典型能譜進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)比解譜后劑量率計(jì)算值與測(cè)試點(diǎn)約定真值。

將本系統(tǒng)放入中國(guó)輻射防護(hù)研究院Am-Be參考輻射場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，在輻射場(chǎng)中選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別在有影錐和無(wú)影錐2種條件測(cè)試(經(jīng)計(jì)算，在3個(gè)測(cè)試點(diǎn)處，直接入射的中子均可以被影錐遮擋)，將解譜譜形與Am-Be中子譜典型譜形對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，解譜的譜形與Am-Be典型能譜基本吻合。根據(jù)解譜結(jié)果，計(jì)算得到的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率與測(cè)試點(diǎn)約定真值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)偏差，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 解譜譜形與Am-Be典型能譜對(duì)比

表2 一體化多球譜儀Am-Be參考輻射場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文研究了一種快速測(cè)量中子能譜的技術(shù)，并以此技術(shù)為核心研制了一款一體化多球譜儀，可以7路通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)中子能譜的在線解譜，使用該技術(shù)極大地縮短了中子能譜的測(cè)量時(shí)間，減少了工作人員的受照風(fēng)險(xiǎn)。使用一體化多球譜儀在Am-Be參考輻射場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，儀器測(cè)量譜形與Am-Be典型能譜符合較好，測(cè)試點(diǎn)相對(duì)偏差小于±7%，可以滿(mǎn)足中子能譜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的要求。