【doc】闪烁纤维中子探测器灵敏度研究

【doc】闪烁纤维中子探测器灵敏度研究 闪烁纤维中子探测器灵敏度研究 第37卷第3期 2003年5月 原子能科学技术 AtomicEnergyScienceandTechnology V01.37.No.3 May2003 闪烁纤维中子探测器灵敏度研究 牛胜利,张前美一,付竹明,赵军 (1.西北核技术研究所,陕西西安710024; 2.西安交通大学,陕西西安710049) 摘要:用蒙特卡罗方法研究了1种闪烁纤维中子探测器对不同能量中子和伽玛射线的相对灵敏度,并在 实验室对几个能点的灵敏度进行了标定.实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:理论计算与实验标定的探测器能量响应曲线 趋势基本一致,探测器对2.5MeV中子和1.25MeV伽玛射线的灵敏度比值为5.3.利用实验数据对计 算值进行校正,可给出探测器能量响应全曲线. 关键词:蒙特卡罗方法;闪烁纤维中子探测器;相对灵敏度;能量响应 中圈分类号:0242.I;TL812文献标识码:A文章编号:1000—6931(2003)03一o282一o4 StudyonSensitivity foraScintillating--fiber--arrayNeutronDetector NIUSheng—li,ZHANGQian-mei,FUZhu—mingl,ZHAOJun (1.NorthuestInstituteofNuclearTechnology,'an710024,China; 2.'anJiaotongUniversity,'an710049,China) Abstract:Tlhesensitivityforascintillating—fiber-arrayneutrondetectorisstudied.Tlheen — ergyresponseofthedetectortoneutronsandgammaraysissimulatedusingMonte-Carlo method.ThecalibrationworkiScardedoutatseveralspecificenergiesaswel1.Theresults showthatthetendencyofthetheoreticalenergyresponsecurveisingoodagreementwith thatfromtheexperiment.Byfittingtheexperimentdata,theenergyresponseofthedetec— torinawideenergyrangecouldbeobtained.Thedetector'Sneutron-to-gammasensitivity ratioisabout5.3forthe2.5MeVneutronsand1.25MeVgammarays. Keywords:Monte-Carlomethod;scintillating-fiber-arrayneutrondetector;relativesensitivi— ty;energyresponse 近年来,核科学工作者对新型闪烁纤维探 测器的研究非常感兴趣,S.Singkarat[和 G.A.wurden【分别研究了1种针对14MeV 中子测量的闪烁纤维探测器,但有关该类探测 器在裂变反应中测量高强度脉冲中子的报道很 少,原因是电流型工作状态下的探测器不能应 用脉冲幅度或形状对中子一伽玛射线进行甄别. 为了在中子,伽玛射线混合辐射场中测量脉冲 裂变中子,我们 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了1种闪烁纤维阵列中子 探测器,该探测器与传统的塑料闪烁探测器相 收稿日期:2002-02-05;,|}回日期:2002-05—10 作者筒介:牛胜利(1967一),男,河南温县人,副研究员,硕士,核物理专业 第3期牛胜利等:闪烁纤维中子探测器灵敏度研究 比,n/丫分辨能力显着提高. 由于裂变中子的能量范围较宽,灵敏度的 实验室标定只能测量有限几个能点,不能给出 完整的能量响应曲线.因此,本工作理论计算 探测器对应不同能量中子和伽玛射线的相对灵 敏度,并利用实验数据对计算值进行校正. 1中子和伽玛射线相对灵敏度计算 探测器的灵敏度与灵敏区内发射荧光的大 小有关,而发光的大小又直接与带电粒子在灵 敏区沉积的能量相关.因此,首先计算闪烁纤 维中质子和电子的能量沉积. 1.1闪烁纤维中沉积的质子能量 闪烁纤维探测器灵敏区的主要成分为碳氢 化合物,中子与其相互作用,部分中子能量沉积 其中引起发光,对发光贡献的主要相互作用过 程为(n,P)弹性散射.根据质心系中系统的动 量和能量守恒求得散射中子和反冲质子的能量 分别为: E=EODS20L(1) Ep=Ecos2(2) 式中:E为人射中子能量;E为散射中子能量; E.为反冲质子能量;为实验室系中反冲质 子的运动方向与中子人射方向之间的夹角;0I. 为实验室系中散射中子与人射中子方向之间的 夹角,并遵从下列分布J: OOS OOS 二): 1+了2IE) E>10M[eV E?10MeV (3) 对L进行抽样的方法如F: 当E?10MeV时, OD80L=IXlaX(e1,e2)(4) 当E>10MeV时,采取加抽样方法: [十号()]e.? f成立,则OD8max(~1,e2) j不成立,则?s={丢[1+(5) 【max(~sign(~一1)]} 式中:e1,e2,e3,e4,e5为随机数. 中子散射角与质子反冲角关系为: OD8=~/1一?I.(6) 由于中子在闪烁纤维中与氢核发生弹性碰 撞的几率很小,为提高模拟效率,采取强迫碰撞 方法.碰撞前的飞行距离L为: L=一InJ1总(7) 式中:总为宏观总截面;一InJ1为中子飞行平 均自由程数,根据其分布,采取直接抽样,得: P?1一(1一e—P0)e(8) 式中:P.为粒子飞行起点按其飞行方向到达系 统边界的自由程数;e为随机数. 由于中子与氢核的碰撞采取强迫碰撞方 法,此时,质子的权重经修正后为: w=w0(1_e-&)(9) 息 式中:为初始质子权重;哪为中子与氢核 反应的弹性散射截面;总为中子与闪烁纤维 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 作用的总截面. 反冲质子为带电粒子,其损失能量的方式 主要是与原子碰撞.由于质子在输运中需经大 量的碰撞,应用Berger压缩历史方法和连续慢 化近似来模拟质子的慢化过程.质子的多次散 射角分布采用Moliere多次散射理论[. 用能量对数分割法划分质子的步长.质子 每走一步,其能量按对数减小,质子能量损失 AE所走的平均路程AS为: ASJE(g/cm2)(10) \dS/训 碰撞阻止本领可用下式[]计算: /一塑\一\ ds/o0u— Z2(盘){f(f1)一In一一 (MeV?g,?Clll2)(11) k(卢)=0.307/(12) f(f1)=In[1.022×10/(1一)]一 (13) 式中:z为质子电荷;Z为介质的原子序数;A 为介质的相对原子质量;卢为人射粒子的速度; ,为平均电离能;为密度效应修正因子;C 为壳层效应修正因子. ,??????????/,????????【 = L Sl刍 厂 原子能科学技术第37卷 1.2相对灵敏度计算 知道了纤维中的质子能量沉积,中子辐照 探测器的相对灵敏度S由下式J得到: S.CL(E)= s1jE=田4 式中:L(E)为发光产额;S1为发光效率;E】, E分别为反冲质子在纤维中的初始和逸出能 量;KB和C为经验拟合参数,对闪烁体,KB, C和S1分别为1.29×10I2g?cInI2?MeV, 9.59×10一g?cIn一?MeV一和0.014. 闪烁纤维探测器的伽玛射线辐照灵敏度与 次级电子在闪烁纤维中的能量沉积成正比,采 用MCNP4B程序跟踪光子和次级全过程可得 到次级电子在闪烁纤维中的能量沉积. 取纤维根数为469,直径为0.5rnnl,间距 1.5rnnl,纤维长度15rnnl,铅吸收体长度为 50/ntn,分别计算能量在0.1,14MeV范围内 的中子和伽玛射线照射在有无铅吸收体时探测 器的相对灵敏度,其结果分别示于图1和2. 由图可以看出:当能量为1,10MeV时,附加 蜂窝状铅吸收体可使伽玛射线辐照灵敏度明显 降低,而中子辐照灵敏度变化很小.由于裂变 中子的能量主要分布在10MeV以下,因此,该 探测器的n/7分辨率得到明显的改善. 图1有无铅吸收体时 探测器的7射线照射相对灵敏度比较 Fig.1(咖IpaIiS0nofrelativesensitivity togammaraysforthedetector withtheBLAandwithoutBLA ?卜__SFA;()-一Pb+SFA l?O O?8 0.6 0.4 O.2 0.0 0246810121416 丘/MoV 图2有无铅吸收体时 探测器的中子照射相对灵敏度比较 Fig.2Clamparis0nofrelativesensitivity tonelltlOl~forthedetector withtheBLAandwithoutBLA ?卜__sFA;o——Pb+SFA 2灵敏度标定实验 中子辐照实验在中国原子能科学研究院 5SDH-2小串列加速器上进行,由该院计量测 试部标定的长计数器来获得探测器所在位置的 中子注量率.实验探测器结构示于图3,其主 要构造由蜂窝状的铅吸收体(BLA),闪烁纤维 阵列(SFA),滤纸(FI)或黑纸(BP),光导管 (LG)和光电倍增管(PMT)组成.光电倍增管 输出电流由KEIT】mEY(;517A型静电计测量, 2000V高压加在光电倍增管上,中子束经准 F咖P H盯 图3闪烁纤维探测器结构示意图 Fig.3Theschetnaticdiagram ofthescintillating-fiber-arraydetector 第3期牛胜利等:闪烁纤维中子探测器灵敏度研究 直后探测器所能接受的辐照面积为3.14锄?. 在探测器周围附加屏蔽来降低本底干扰.在相 同条件下测量得到的几种不同能量中子的灵敏 度列于表1. 表1实验测量的探测器灵敏度 Table1Experimentaldataofdetector'ssensitivity 中子能量/MeV灵敏度/(C?crfl2) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.28 3.50 4.83 5.74 4.19×10—13 6.96×1013 1.41×10—12 1.82×10— 2.06×10一 2.75×10—12 3.00×10— 3.70×10— 4.40×10— 对理论计算的探测器相对灵敏度进行归一 化处理,并按2.5MeV中子辐照实验标定灵敏 度进行校正,得到探测器能量响应的理论计算 曲线.理论计算的能量响应与实验数据的比较 示于图4.由图4可看出,两者的曲线趋势基 本一致. 丘/MoV 图4理论计算的能量响应 与实验数据的比较 Fig.4Clampa?nofthecalculatedenergy responseandtheexperimentaldata ?——实验值;实线——计算值 伽玛射线辐照实验在西北核技术研究所的 钴一60装置上进行,与中子辐照实验条件相同, 测量得到探测器对1.25MeV伽玛射线辐照的 灵敏度为4.0×10一.C?锄?. 3结论 研制的闪烁纤维探测器n/7分辨能力高于 传统的塑料闪烁探测器,中子能量为2.5MeV 时,灵敏度为2.1×10I1C?cln2;伽玛射线能 量为1.25MeV时,灵敏度为4.0×10I1C? cln2;中子与伽玛射线灵敏度比值为5.3,比塑 料闪烁探测器高7倍以上.该探测器可用来在 中子,伽玛射线混合辐射场中测量裂变中子. 理论计算的探测器能量响应曲线与实验标 定值进行了比较,两者趋势基本一致.因此,对 理论计算的各能点中子和伽玛射线相对灵敏度 分别按2.5MeV中子和1.25MeV伽玛射线 的实验标定灵敏度进行校正,可给出完整的中 子和伽玛射线能量响应曲线. 本工作得到了中国原子能科学研究院加速 器实验室王志强等同志的大力支持,在此表示 感谢. 参考文献: [1]SivgkaratS,BoonyawanD,HoyesGG,eta1.De— velopmeutofanEncapsulatedScintillatingFiber Detectorasa14MeVNeutronSensorIJ1.NudIn— strdIllMethods,1997,嬲:463,47O. 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