基于伴随粒子的快中子成像系统角分辨研究

不同于传统的快中子成像系统,采用伴随粒子成像技术无需机械准直即可消除大部分γ射线和散射中子的干扰,实现对厚重物体的高对比度成像。角分辨是影响系统成像质量的一项重要参数。通过理论分析,研究了入射离子的初始动量、靶点尺寸和探测器空间分辨等多个因素对系统角分辨的影响。利用基于GEANT4的模拟程序,计算了不同参数下被标记中子出射角分布的二维图像。分析及模拟结果表明,靶点直径和α探测器空间分辨率是影响角分辨的重要因素。为满足系统角分辨小于1°的设计目标,入射离子的初始动量变化范围应较小,靶点直径应小于1 mm,同时α探测器的空间分辨率应小于0.5 mm。     

快中子成像空间分辨率部分影响因素的模拟研究

采用蒙特卡罗方法对中子成像系统空间分辨率产生重要影响的三个参数(入射中子能量、样品靶与源的距离和探测器与样品靶的距离)进行了模拟研究。利用Geant4模拟计算得到了快中子照射下,调制传递函数随上述参数的变化曲线,这三个参数的选择对成像性能的优化有着很大的指导意义。同时,通过模拟还分析了利用铅隔离层抑制串扰在中子成像中的可行性。研究结果表明,选择合适的铅层厚度在一定程度上提高图像质量,这些结果可为实际工作中的参数选择提供参考。     

关联α粒子探测器设计和性能研究

关联粒子成像技术(API)是进行爆炸物检测和有源核查的重要手段,而关联α粒子探测器的空间分辨和时间分辨直接决定成像系统的空间分辨能力。本文依托中国原子能科学研究院核数据重点实验室移动中子发生器,结合具有快时间响应的ZnO:Ga与最新的位置灵敏光电倍增管(PSPMT)H13700,设计可用于API的关联α粒子探测器系统。通过SCDC-TCOG将256路信号简化为4路信号,利用数字化仪对信号进行采集分析。通过离线实验对关联粒子探测器的时间性能和空间分辨性能进行了测试。利用刀口法测得空间分辨好于1 mm,并通过狭缝法和栅条法进行了验证。通过测量~(252)Cf裂变碎片和瞬发伽马符合测量获得系统时间分辨好于1 ns,达到了应用需求。     

中子照相系统整体空间分辨率计算与分析

本文综合考虑几何不锐度和探测系统固有不锐度的影响,把准直比、样品与转换屏间距离、转换屏和CCD(CMOS)相机分辨率等关键参数引入到系统脉冲响应函数,推导出更准确和全面的中子照相系统整体空间分辨率计算公式,探讨了公式中各参数与分辨的定量关系和影响规律。利用该公式对中国先进研究堆实时中子成像探测系统在不同准直比条件下的整体空间分辨率进行了计算与分析,讨论了如何优化调整各影响因素以提高中子照相装置的整体测试性能。为中子照相装置的优化设计以及确定特定样品的测试方案,提供了重要的理论依据。     

带伴随粒子中子发生器研制

为研制带伴随α粒子法检测隐藏爆炸物,我们研制了外形尺寸为Φ76 mm×1100 mm的中子发生器,采用中子管离子源加高压,靶接地的设计方式,便于安装α粒子探测器.靶与束流入射方向成45°角,以便探测器接收更多的α粒子,提高探测效率.试验测试表明,中子产额在3×107n/s-5×107n/s范围,中子发生器稳定工作已超过...     

关联α粒子探测器设计和性能研究

关联粒子成像技术（API）是进行爆炸物检测和有源核查的重要手段,而关联α粒子探测器的空间分辨和时间分辨直接决定成像系统的空间分辨能力。本文依托中国原子能科学研究院核数据重点实验室移动中子发生器,结合具有快时间响应的ZnO：Ga与最新的位置灵敏光电倍增管(PSPMT)H13700,设计可用于API的关联α粒子探测器系统。通过SCDC-TCOG将256路信号简化为4路信号,利用数字化仪对信号进行采集分析。通过离线实验对关联粒子探测器的时间性能和空间分辨性能进行了测试。利用刀口法测得空间分辨好于1 mm,并通过狭缝法和栅条法进行了验证。通过测量²⁵²Cf裂变碎片和瞬发伽马符合测量获得系统时间分辨好于1 ns,达到了应用需求。     

伴随粒子中子检测系统发展及应用

基于快中子技术的无损检测方法能够在不对检测物造成影响的情况下,发现其隐藏的危险品。利用D-T反应时伴随中子产生的反冲α粒子对有效中子进行标记,可大幅提高中子探测信噪比,同时通过空间分辨α粒子还可以获得被检测对象特征元素的空间信息,所以基于伴随α粒子的中子检测方法在安检领域具有重要的应用前景。本文简单介绍了基于伴随α粒子中子检测方法的原理和系统组成,并对系统的中子管、α粒子探测器和γ探测器等关键部件进行了介绍,接着介绍了目前世界上正在研究的伴随α粒子中子检测系统及其进展,最后对这种检测方法进行了展望。     

中国散裂中子源反角白光中子束斑测量

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子(Back-n)束斑品质是核数据测量和其他物理实验的基础。利用像增器脉冲选通特性和飞行时间法搭建了一套具有时间分辨能力的成像系统,其空间分辨小于1 mm,初步实现了束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数的测量和定量分析。在距散裂靶约55、75 m处测得束斑FWHM分别为55、63 mm,对应峰值强度约75%处束斑直径分别为50、60 mm,且束斑边缘陡峭,呈台阶状。分析表明,束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数均与中子能量无关,在束斑中心区域80%范围内非均匀性小于10%。测量结果表明,CSNS反角白光中子源物理终端具有较好的中子束斑品质,可开展较高精度的核数据测量。     

中国散裂中子源反角白光中子束斑测量

中国散裂中子源（CSNS）反角白光中子（Back-n）束斑品质是核数据测量和其他物理实验的基础。利用像增器脉冲选通特性和飞行时间法搭建了一套具有时间分辨能力的成像系统,其空间分辨小于1 mm,初步实现了束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数的测量和定量分析。在距散裂靶约55、75 m处测得束斑FWHM分别为55、63 mm,对应峰值强度约75%处束斑直径分别为50、60 mm,且束斑边缘陡峭,呈台阶状。分析表明,束斑轮廓、尺寸和非均匀性等特性参数均与中子能量无关,在束斑中心区域80%范围内非均匀性小于10%。测量结果表明,CSNS反角白光中子源物理终端具有较好的中子束斑品质,可开展较高精度的核数据测量。     

掠入射涂硼多丝正比室中子探测器设计及其性能模拟

针对国内中子散射谱仪对高效率高位置分辨的热中子探测器需求,对基于多层掠入射涂硼多丝室的新型位置灵敏中子探测器进行了模拟研究。利用蒙特卡洛模拟软件Geant4对探测器的中子探测效率、位置分辨率以及基材对中子的散射进行了模拟仿真。结果表明,采用掠入射多层结构可以实现较高的中子探测效率和位置分辨率。当掠入射角度为5°时,采用3层结构可以对波长2.5 A的热中子实现62%的探测效率;对于2 mm的阳极丝间距,掠入射结构下探测器的位置分辨(FWHM)可达0.286 mm。     

兰州重离子储存环外靶实验终端时间投影室的动量分辨率模拟

时间投影室(Time Projection Chamber,TPC)是在多丝正比室(Multi Wire Proportional Chamber,MWPC)和多丝漂移室(Multi Wire Drift Chamber,MWDC)的基础上发展起来的一种高空间分辨粒子径迹探测器。因其具有很高的位置分辨能力,从而可以获得很好的动量分辨率。在开展兰州重离子储存环外靶实验终端CEE(Cooler-Storage-Ring External-target Experiment)-TPC的建造之前,估算CEE-TPC的动量分辨能力是一项很有必要的工作。基于Geant4和Kalman Filter等模拟程序,对时间投影室探测器测量带电粒子的整个过程进行了蒙特卡罗模拟,给出了CEE-TPC探测不同种类的带电粒子的动量分辨率,并且对影响探测器动量分辨率的因素进行了分析。通过模拟计算,得到了CEE-TPC对?介子、质子和氘核的典型动量分辨率在5%左右,能够较好地鉴别这三种粒子,为未来CEE-TPC的建造提供了可供参考的技术参数。     

微小角中子散射谱仪的高分辨中子闪烁体探测器研究

微小角中子散射谱仪是中国散裂中子源(China spallation neutron source,CSNS)工程目前在建的谱仪之一,为了实现微小角散射模式下中子衍射的精确测量,要求中子探测器的位置分辨≤2 mm、探测效率≥60%@0.4 nm。在此物理精度需求下,研制了基于⁶LiF/ZnS(Ag)闪烁屏、波移光纤阵列和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)结构的位置灵敏型闪烁体探测器,以实现热中子的高效率和高分辨实时探测。探测效率测试以标准3He管的入射中子数归一化计算得到,位置分辨通过含有“CSNS”字样的含硼铝板验证。本文详细研究了0.5 mm直径波移光纤的光传输性能,对比了不同硅光电倍增管的增益和热噪声特性,并以此设计了有效面积为300 mm×300 mm的探测器工程样机。经测试,该探测器的位置分辨为1.2 mm×1.2 mm,探测效率为(61.8±0.2)%@0.4 nm,达到了工程设计指标,满足了CSNS工程微小角谱仪的中子衍射测量需求。     

快中子能谱在线测量的反冲质子望远镜响应模拟研究

快中子能谱是基于散裂中子源开展大气中子单粒子效应研究的关键输入参数,在线测量宽能区快中子能谱在近散裂靶位置面临飞行时间法不确定度大、中子通量高、本底干扰强等问题。设计了反冲质子望远镜(RPT)系统,利用Geant4模拟了20～200 MeV中子轰击不同厚度聚乙烯转换靶产生的反冲质子产额、角分布以及能谱,为优化探测系统设计提供了指导依据。通过模拟硅探测器与新型快响应CLLB闪烁体组成的二重符合RPT系统对入射中子的响应,分析了影响探测系统探测效率和能量分辨率的因素,确定了聚乙烯转换靶厚度为1 mm、符合质子探测器摆放角度为26.6°和探测器尺寸等重要参数,得到了RPT系统的中子响应函数矩阵,并计算了其探测效率达10-5,对高中子通量和复杂本底干扰环境下的快中子能谱在线测量具有指导意义和参考价值。     

惯性约束核聚变实验中子飞行时间谱仪的时间测量插件

大型的惯性约束核聚变(ICF)设施都采用中子飞行时间(nTOF)探测系统测量离子温度.大阵列中子探测器系统作为国际上使用的最主要探测手段,已成为ICF诊断平均密度半径积<ρR>的标准技术.用于"神光Ⅲ"原型及主机的灵敏中子探测器阵列的时间分辨期望达到1 ns,为此探测器后的电子学系统的时间分辨期望达到100 ps.采用ACAM公司的GP2作为时间测量插件的核心芯片,我们研制了基于VME总线的多通道TDC时间测量插件,其时间分辨小于61 ps.     

碳化硅热中子探测器的优化设计

采用MC法对用于热中子探测的碳化硅探测器开展设计。优化了中子转换层参数和半导体器件参数,研究表明采用~(10)B作为中子转换材料,其最优厚度为2μm,在系统甄别阈为300 keV时对应的探测效率理论值为3.29%。制备了碳化硅外延层厚度20μm,灵敏区面积5 mm×5 mm的碳化硅器件,在外加反向偏压达180V时,其漏电流仅20.8 nA。性能测试表明:该器件对4.7-6.0 MeV的α粒子具有极好的能量线性,其线性度达0.999 97。对5.49 MeV的α粒子的能量分辨率为1.03%,对应半高宽57.3keV,与SiC高分辨α探测器分辨率相当。     

~6LiF夹心半导体中子探测器

本文叙述了有效直径为8mm的金硅面垒探测器与~6LiF组合成的夹心半导体中子探测器。每一个面垒探测器对~(241)Am的5.486MeVα粒子的分辨率FWHM好于50keV。在热堆和快堆上测量的热中子能量分辨率为:对180μg/cm~2的~6LiF,FWHM为310keV;对30μg/cm~2的~6LiF,FWHM为70keV。为快堆中子能谱和通量测量提供了一个途径。     

研究堆直接引出裂变中子的超视场成像技术研究

中子成像是一种重要的无损检测方法，快中子(MeV级能量)成像技术，能够在中大型样品的轻材料缺陷检测发挥其独特优势。经过理论分析和蒙特卡罗模拟设计，采用过滤结构将绵阳研究堆热中子束线的裂变中子份额大大提高，在等效准直比约260情况下，成像位置的裂变中子注量率可以达到3×10⁵ cm^-2·s^-1。采用快中子荧光屏作为探测器，通过研发的大视场成像装置，形成了一套直接视场可达400 mm×400 mm，分辨率优于0.5 mm的裂变中子成像系统。利用超视场成像技术，该系统还能够检测横向尺寸不超过600 mm的大型样品。     

受控热核聚变装置软X射线反演成像探测研究

介绍了探测系统的角向分辨率、径向分辨率、探测器空间分辨率、探测器阵列空间分辨率和探测系统的时间分辨率的设计原则。其角向分辨率由探测阵列数目决定．其径向分辨率由阵列中探测器数量决定。根据装置的具体条件,研制专用的条形探测器可以获得最佳的探测器空间分辨率和探测器阵列空间分辨率。研制宽频带放大滤波电路系统可以保证高时间分辨率。高质量反演探测系统可采用多角度多阵列方式或在刚体旋转假设下采用完美的单阵列方式。小装置上的高灵敏的反演成像探测系统可在中心电子温度约150eV,电子密度约10^15cm-3的低参数条件下探测到稳定信号并完成图像反演。     

热中子透射成像转换屏物理设计研究

中子像转换屏是热中子透射成像技术的关键部件，中子像转换屏的参数严重影响空间分辨率和热中子-光子转化效率两方面的特性。采用Geant4程序模拟热中子透射成像的物理过程及透射光子二维图像，建立了基于LiF(ZnS)和LiF(GOS)像转化屏的热中子透射成像模拟模型和Siemens star像指示器模型，利用线扩散函数（Line Spread Function,LSF）计算空间位置分辨率，获得热中子像转化屏厚度与空间位置分辨率、中子-光子转换效率的关系。基于兰州大学紧凑型D-D中子源的热中子透射成像系统参数，推荐选取LiF(GOS)像转化屏的厚度为40μm,LiF(ZnS)像转化屏厚度应选取80μm，热中子透射成像空间分辨率分别可达到45μm和63μm，为基于紧凑型D-D中子源的热中子透射成像系统的研发奠定了技术基础。此外，本工作得到的LiF(GOS)、LiF(ZnS)像转化屏优化参数同样适用于其他热中子成像装置，可为热中子透射成像系统的搭建提供了技术参考。     

α放射性表面污染位置灵敏探测器模拟设计

为解决计数型表面污染仪无法给出污染分布的问题,设计了基于闪烁体和硅光电倍增管的α位置灵敏探测器。利用GEANT4模拟了α粒子在探测器中输运与发光全过程,并根据光子的分布重建α粒子的位置。模拟结果表明,采用0.1 mm厚的GAGG闪烁体与1 mm有机玻璃光导耦合的探测器,模拟结果的最高分辨率可达0.1 mm;使用GAGG闪烁体搭建的α位置灵敏探测器分辨率可达0.8 mm,ZnS闪烁体分辨率可达0.4 mm;设计的α位置灵敏探测器具有较高的位置分辨性能,可满足表面污染分布测量的需求。