中子通量及能譜測量中關鍵技術研究.pdf

1、當前，中子探測已經(jīng)廣泛應用于軍事、測井、違禁品檢測、環(huán)境輻射檢測、醫(yī)學以及空間粒子環(huán)境探測等領域，具有重要的科學意義和廣泛的應用前景。然而，無論是在核物理中子實驗中，還是在工業(yè)、生命科學、材料科學、環(huán)境科學、空間科學等眾多領域的中子探測時，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，論文重點研究了如下關鍵技術問題：
　　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鍵問題?，F(xiàn)有的關于提高中子-γ射線甄別精度的研究主要集中在改進中子-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、號轉化為電信號的關鍵器件——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重點在于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．強輻射環(huán)境下的脈沖堆積問題。在強輻射環(huán)境中，中子的計數(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數(shù)率條件下準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際上轉化為利用中子的脈沖幅度譜和探測器固有響應函數(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)多達幾十或上百個）。此類方程組求解難度大，結果不穩(wěn)定且可能出現(xiàn)負值，導致其不符合中子能譜的實際物理意義。因此

6、，如何準確地求解中子能譜是中子探測中的又一關鍵問題。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、結果不穩(wěn)定等缺點。因此，本文對中子能譜測量問題的研究主要是利用軟件計算探測器固有響應函數(shù)，并通過實驗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確地反演中子能譜。
　　針對上述關鍵技術問題，論文在國內外首次評估了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