基於氣體螢光成像的脈衝中子能譜測量方法研究

《基於氣體螢光成像的脈衝中子能譜測量方法研究》是依託西北核技術研究院，由劉金良擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於氣體螢光成像的脈衝中子能譜測量方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉金良
• 依託單位：西北核技術研究院

項目摘要

中子能譜是研究和診斷核反應過程特性最重要的特徵量之一。現有能譜測量方法在一些情況下（如源脈衝持續時間較長、要求實時測量的場合）套用受限，這使得脈衝輻射場中子能譜測量仍然是一個沒有完全解決的關鍵難題。本項目提出了一種基於氣體閃爍螢光成像的脈衝中子能譜測量方法，其步驟為首先利用聚乙烯將脈衝中子束轉換為反衝質子束，然後獲取反衝質子激發的氣體閃爍螢光圖像，最後根據圖像反演求解入射中子束的能譜。該方法成立的基礎在於：聚乙烯轉換靶產生的反衝質子能量與入射中子能量一一對應，反衝質子在氣體中射程與質子能量一一對應。本項目將重點開展中子-反衝質子-氣體閃爍螢光全過程模擬技術研究、氣體螢光圖像到入射粒子束能譜的反演方法研究、基於加速器質子束的氣體螢光成像的能譜測量方法演示驗證實驗研究。這種測量方法對穩態和脈衝輻射場都適用且具有較高的能量分辨，將能為脈衝中子能譜測量探索一條新的技術途徑。

結題摘要

中子能譜是研究和診斷核反應過程特性最重要特徵量之一。為解決脈衝中子能譜測量難題，本項目研究了一種基於氣體閃爍螢光成像的脈衝中子能譜測量方法：首先獲取反衝質子束激發的氣體閃爍螢光圖像，根據圖像反演求解入射中子束的能譜分布。中子等探測是通過其與物質相互作用產生的次級帶電粒子實現，帶電粒子特徵參數測量水平和精確度直接影響甚至決定了中子輻射場診斷效果。在研究過程中發展出了單粒子徑跡成像技術，可突破低強度中子伽馬混合場中子能譜精確診斷的關鍵技術難題，同時滿足其他微弱輻射場特徵信息精確測量的現代套用需求。開展氣體螢光成像中子能譜測量和單粒徑跡成像技術理論分析和模擬研究，獲得了反衝質子能譜與聚乙烯靶片厚度、出射角、接收範圍等因素的關係；開展中子能譜反演方法研究，建立能譜反演數學模型，利用勢下降內點算法和GRAVEL方法實現由氣體螢光圖像到反衝質子束和入射中子束能譜的反演；開展氣體螢光成像系統設計和工程套用方案論證，為克服實驗室中子源強度不足問題，提出採用質子束代替中子源進行全系統性能檢驗的方案，並設計製作了凹台階狀結構的矽衰減片；建立基於多絲圓柱形雪崩放大室的單粒子徑跡成像實驗裝置，獲取了清晰的單個α、質子、鋰離子徑跡，並開展徑跡特徵分析與研究，初步實現了基於單粒子徑跡進行帶電粒子甄別和能譜測量。在DT中子源上開展單粒子徑跡成像測量中子能譜演示實驗，獲取了清晰的反衝質子徑跡，並基於徑跡長度推斷給出入射中子能譜分布。本項目研究的單粒子徑跡成像方法和實驗技術能夠直觀給出帶電粒子徑跡、空間時間分布等特徵信息，而基於氣體螢光成像方法具有良好的能譜分辨能力，是解決脈衝中子能譜精確測量難題的全新技術途徑。相關研究在國家重大科研試驗的脈衝中子診斷、聚變能譜除測量、輻射劑量學研究等領域具有廣闊的套用前景和重要的研究價值。