D-T中子與貧化鈾作用的瞬發(fā)γ譜研究.pdf

1、在熱核武器和聚變—裂變混合能源堆中，D-T中子在宏觀貧化鈾（天然鈾）材料中的輸運(yùn)是其最重要的物理過程之一。中子在材料中輸運(yùn)時(shí)，通過輻射俘獲、裂變、非彈等核反應(yīng)而伴隨瞬發(fā)γ射線的發(fā)射。瞬發(fā)γ射線可以反映中子與材料的相互作用過程，與核反應(yīng)和核結(jié)構(gòu)信息緊密相關(guān)，測(cè)量瞬發(fā)γ射線是檢驗(yàn)相關(guān)反應(yīng)截面數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、監(jiān)測(cè)核過程的重要手段之一;同時(shí)，測(cè)量瞬發(fā)γ射線可為評(píng)估裂變能量、γ射線泄漏過程參數(shù)、鈾核參數(shù)檢驗(yàn)等提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。宏觀貧化鈾球殼樣品是核武

2、器工程模擬中必不可少的裝置之一。為此，基于14MeV D-T脈沖中子，針對(duì)不同的宏觀貧化鈾球殼樣品開展瞬發(fā)γ射線譜實(shí)驗(yàn)研究，建立相應(yīng)的測(cè)量手段和發(fā)展相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析能力，并獲取D-T中子與宏觀貧化鈾樣品作用的瞬發(fā)伽瑪譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　本論文以D-T中子與宏觀貧化鈾球殼樣品作用發(fā)射的瞬發(fā)γ射線能譜和時(shí)間譜為研究對(duì)象，主要開展了測(cè)量方法、蒙卡模擬計(jì)算、測(cè)量技術(shù)和瞬發(fā)伽瑪實(shí)驗(yàn)四方面的研究工作。
　　D-T中子與貧化鈾樣品作用時(shí)，除了

3、由裂變、非彈及輻射俘獲反應(yīng)發(fā)射的瞬發(fā)γ射線之外，還會(huì)產(chǎn)生核衰變?chǔ)蒙渚€、直流本底中子產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線、直穿中子打在探測(cè)器上產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線、源中子靶室結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生的瞬發(fā)γ本底、貧化鈾樣品以外的其它材料產(chǎn)生的瞬發(fā)和緩發(fā)γ本底、散射中子在準(zhǔn)直器等材料中產(chǎn)生的γ射線等眾多本底的干擾。這些本底γ中:衰變?chǔ)蒙渚€（或稱為緩發(fā)γ射線）與直穿中子在探測(cè)器上產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線占主要貢獻(xiàn)。為了扣除這些非期望的γ本底，根據(jù)這些γ射線的時(shí)間和來源等特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)

4、的準(zhǔn)直系統(tǒng)和影陰錐屏蔽體統(tǒng)，采用基于脈沖中子源的飛行時(shí)間測(cè)量方法對(duì)D-T中子與鈾材料作用的瞬發(fā)γ射線譜進(jìn)行了研究。
　　模擬計(jì)算方面:(1)利用TARGET程序?qū)-T中子的能量、強(qiáng)度各向異性分布，中子平均能量和能散等進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果用于MCNP輸入卡中的中子源項(xiàng)描述。(2)利用MCNP對(duì)BC501A和CLYC探測(cè)器的γ響應(yīng)和探測(cè)效率等進(jìn)行了模擬計(jì)算，獲得的結(jié)果經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，響應(yīng)矩陣用于反沖電子譜解譜。(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

5、用MCNP進(jìn)行了蒙卡建模，通過模擬計(jì)算獲得了γ通量最大時(shí)的貧化鈾球殼樣品厚度，及瞬發(fā)γ射線的時(shí)間過程，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇實(shí)驗(yàn)樣品及脈沖中子源工況。(4)利用MCNP和EGSnrc程序耦合計(jì)算，避免了MCNP在計(jì)算中子伽瑪射線耦合輸運(yùn)時(shí)能量沉積記錄類型本質(zhì)上的不可靠性，獲得了相應(yīng)位置的瞬發(fā)γ射線譜及在液閃探測(cè)器中產(chǎn)生的反沖電子譜和CLYC探測(cè)器中產(chǎn)生的γ譜，同時(shí)大大提高了計(jì)算效率。
　　測(cè)量技術(shù)方面:(1)重點(diǎn)研究了適用于n/γ射線混

6、合場(chǎng)中γ射線測(cè)量的BC501A/BC537液閃探測(cè)器和鉀冰晶石家族的CLYC探測(cè)器。對(duì)探測(cè)器的能量響應(yīng)函數(shù)、能量分辨、探測(cè)效率和n/γ甄別性能等特性進(jìn)行了研究，獲得了γ射線在相應(yīng)液閃探測(cè)器中產(chǎn)生的康普頓邊的確切位置、能量分辨率、響應(yīng)矩陣和n/γ甄別下限。這有利于提高能量標(biāo)定和解譜精度、便于實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。(2)針對(duì)脈沖中子源和飛行時(shí)間方法，基于NLM電子學(xué)建立了“雙符合+ToF”的瞬發(fā)γ射線測(cè)量技術(shù)，以及基于高速數(shù)字化儀的ToF符合測(cè)量

7、技術(shù)，并基于LabVIEW編寫了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序。并將這兩種技術(shù)成功應(yīng)用于D-T中子與貧化鈾球殼的瞬發(fā)γ射線實(shí)驗(yàn)研究。(3)為了分析本文基于數(shù)字化儀測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，編制了壞事例剔除程序、n/γ甄別程序、譜分析程序和伴隨α粒子分析程序。(4)對(duì)幾種常用的解譜方法:GRAVEL迭代法、Tikhinov正則化方法、逆矩陣方法進(jìn)行了分析和比較。
　　實(shí)驗(yàn)研究方面:(1)基于NIM電子學(xué)、BC501A液閃探測(cè)器和“雙符合+ToF”方法，對(duì)

8、D-T中子與厚度為3.1cm的宏觀貧化鈾球殼的作用開展了瞬發(fā)伽瑪實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)本底來源進(jìn)行了詳細(xì)考慮和分析，并采取相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了扣除;首次獲得了該特定宏觀樣品0.4-3MeV能區(qū)的瞬發(fā)伽瑪能譜和時(shí)間譜，針對(duì)瞬發(fā)γ射線的來源和影響因素，對(duì)瞬發(fā)γ射線能譜和時(shí)間譜的不確定度進(jìn)行了綜合評(píng)定，并與蒙卡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。(2)基于高速數(shù)字化儀、BC501A、CLYC探測(cè)器和ToF方法，對(duì)厚度為3.95cm的宏觀貧化鈾球殼樣品開展了瞬發(fā)伽瑪譜實(shí)驗(yàn)研究

9、;對(duì)探測(cè)器信號(hào)、感應(yīng)筒信號(hào)和伴隨α信號(hào)進(jìn)行了同步測(cè)量;然后基于離線分析程序?qū)Ζ檬吕桶殡Sα粒子進(jìn)行分析和本底扣除，獲得瞬發(fā)γ射線能譜、緩發(fā)γ射線能譜、瞬發(fā)γ射線時(shí)間譜。同時(shí)，還可以獲得γ射線的時(shí)間—能量二維譜，及中子事例的反沖質(zhì)子譜（能譜）、飛行時(shí)間譜和時(shí)間—能量二維譜。
　　通過本論文工作，改進(jìn)和發(fā)展了中子與宏觀樣品作用的瞬發(fā)γ射線測(cè)量技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)分析能力，為后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供了良好的測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)手段。首次獲得了D-T中