基于FPGA的高性能坎贝尔积分算法研究

为满足国际热核聚变实验堆的宽量程中子通量测量需求,设计了基于FPGA和交流耦合平方积分的高性能数字化坎贝尔积分算法,拥有更强γ抑制能力的同时将中子甄别系统的测量范围从10⁵ s^-1提高到10⁸ s^-1。结合²³⁵U裂变室及坎贝尔测量原理研究了数字化坎贝尔积分算法,通过仿中子脉冲实验分析了脉冲甄别计数算法和坎贝尔积分算法重叠区域的工作性能,并得出坎贝尔积分算法在不同噪声下的适用条件,从而保证测量相对误差小于5%。使用基于该算法的测量系统在HL-2A进行了现场实验,对照脉冲甄别计数算法的测量结果进行标定,二者一致性非常好,在测量重叠范围内线性系数达0.97。     

数字化多通道宽量程ITER中子通量密度测量系统研制

针对国际热核聚变实验堆(ITER)对中子通量密度测量宽量程、高集成度、实时性的要求,设计了一套基于PXI架构的多通道中子通量密度测量系统。该系统包括新研制的电流灵敏前置放大器及基于高速模数转换器(ADC)和可编程逻辑器件(FPGA)的主电子学插件。通过全数字化信号处理技术衔接脉冲计数和坎贝尔两种测量模式,大幅拓展了测量量程和提高了系统集成度。该系统通过使用脉冲堆积率估算算法,实现了测量模式的精确自动切换。实验结果表明,该系统具备单一裂变室大于1.7×10~(10)cm~(-2)·s~(-1)中子通量密度实时测量能力,全量程相对误差低于7.1%。     

易水湖水下天然中子测量

使用研制的以球形3 He正比计数器为中子灵敏元件的水下中子测量装置对易水湖水下1~25m范围内不同深度处的天然中子进行了测量,并结合相应的蒙特卡罗模拟,获得了易水湖水下不同深度处的低能天然中子产生速率和注量率随湖水深度的变化规律。结果表明:在易水湖水面下方1~10m范围内,低能天然中子产生速率c(cm~(-3)·s~(-1))随深度h(cm)呈指数规律下降,关系式为c=2.7×10~(-5)e~(-0.005 7h),10m以下的变化较为平缓。根据测量结果外推,在易水湖水面附近,水中低能天然中子的产生速率约为2.7×10~(-5) cm~(-3)·s~(-1)(或2.7×10~(-5) g~(-1)·s~(-1))。     

裂变室输出信号数字化处理的仿真研究

中子通量密度是核反应堆工程中的一个重要参数,利用裂变室进行宽量程中子通量密度测量的数字化处理系统较传统的模拟电路有更大优势。本文基于数字化中子通量测量方案进行仿真研究,首先用计算机模拟带电子学噪声的裂变室输出信号仿真波形,提出在低通量和高通量的中子通量密度情况下,用数字梯形成形滤波和数字自适应参数滤波算法,不仅可以实现抗堆积和脉冲噪声有效甄别(脉冲模式)处理,提高计数率的准确度,而且能够提高均方值计算(坎贝尔模式)的准确度。     

有机闪烁体探测器数字化信号处理电路设计

介绍了基于FPGA的有机闪烁体探测器数字化信号处理电路的设计。电路设计由前置放大器、高速ADC、FPGA系统、MCU微控制系统、电源系统等组成,通过对粒子射线的模拟信号采集、后续分析处理和脉冲形状算法,实现中子和γ脉冲信号的甄别及对应剂量值的计算。主要性能测试结果表明:电路设计具有较好的中子和γ甄别效果,可实现准确有效的中子和γ剂量测量。     

宽量程中子通量密度测量数字化处理系统设计

实时准确地测量反应堆的中子通量变化状况,对于确保反应堆的安全运行有着重要意义。基于模拟测量系统存在的一些不足,设计一种数字化的宽量程裂变室输出信号处理系统。该数字化信号处理系统将裂变室的脉冲和坎贝尔两种工作模式相结合,利用高速ADC对裂变室输出脉冲信号数字化,在FPGA中运用数字信号处理算法实现两种工作模式的信号处理,并仿真了裂变室的输出脉冲信号导入任意波形信号发生器模拟中子信号源,用于对处理算法的初步验证。测试结果表明数字化处理系统线性度和性能良好。     

裂变材料中子-伽马脉冲形状甄别几何条件影响的模拟分析

快中子多重性分析技术是当前核材料衡算领域的热门研究方向。针对中子伽马脉冲形状甄别的效果在探测距离很近时明显变差的实验现象展开了研究。使用GEANT4工具箱模拟了液体闪烁体探测器测量裂变中子伽马的粒子输运过程,并基于计算机模拟数据分析了使用BC-501A液体闪烁体探测器测量裂变中子时,裂变物质与探测器的距离(几何效率)对中子-伽马甄别效果的影响。分析的结果与实验现象相符,表明在基于液体闪烁体探测器的核材料属性测量中,若单个探头的探测效率较高,裂变中子伽马脉冲叠加会严重影响甄别结果和测量计数。     

核脉冲计数数据采集系统研制

为满足核辐射探测器输出脉冲信号数据采集的需求,基于西门子PLC(S7-200)高速计数器HC4、HC5,研发了核脉冲计数数据采集系统。根据S7-200内嵌高速计数器原理,设计了周期脉冲计数数据采集实验,实验发现符合TTL标准的脉冲信号并不一定能被PLC高速计数器正确进行计数率测量。为此特别设计的甄别电路,满足了核辐射探测器输出信号经过放大器与甄别电路后转换为适合S7-200高速计数器HC4和HC5的输入信号。此外利用S7-200丰富的指令系统,执行核脉冲计数率连续测量和数据处理,并通过文本显示单元完成系统数据实时显示,实现了对核脉冲计数数据采集。     

涂硼稻草管中子探测效率与γ射线甄别研究

涂硼稻草管是一种新型的3He替代探测器,能广泛满足中子散衍射、军控核查、无损检测等领域的大面积低能中子测量需求。本文系统研究了PTI-204型稻草管探测器甄别阈对中子和γ计数的影响,优选出最佳甄别阈值。并在此基础上,利用实验室放射源测量了γ射线甄别率和热中子探测效率。结果表明:PTI-204的γ射线的甄别率可达约10~(-8),热中子的探测效率约为20%,是一种极具潜力的3He替代探测器。     

低强度脉冲中子束的数字式n/γ分辨测量

针对低强度脉冲中子束测量,使用高速数字示波器作为数据采集设备,配合BC501A液体闪烁体探测器组建了数字式脉冲形状甄别(Digital Pulse Shape Discrimination,DPSD)测量系统,实现了中子的n/γ分辨测量。系统工作时采集并存储探测器输出的中子与γ射线的脉冲波形及其记录时刻,利用DPSD方法甄别中子实现了中子脉冲高度谱统计;系统具有连续记录和具备时间戳的采集窗记录两种工作方式以适应不同的脉冲中子束强度,并通过分析数据记录中脉冲波形的位置或时间戳,实现了中子事件的时间信息统计。使用该系统在Am-Be中子源上使用采集窗工作模式开展了实验,成功获得中子脉冲幅度谱、中子时间谱以及n/γ甄别谱。     

核脉冲波形甄别方法研究

建立了一套基于信号发生器和数字示波器采样的仿真数字化核脉冲分析系统,分别采用电荷积分法、过零时间法、脉冲梯度法、指数拟合法和离散傅里叶变换法完成了仿真中子和γ射线的数字化甄别。结果表明,几种方法均可较为理想的实现n/γ甄别,但在甄别效果和计算时间上存在较大差异,可为实时n/γ甄别的算法选取和优化提供一定参考依据。     

小型移动式中子发生器

把从国外引进的高压终端与自行研制的脉冲系统等结合在一起,建成了一台小型移动式中子发生器。该中子发生器的长度是2 500 mm,重量小于1 t,可以方便地移动到所需要的实验场合。它主要由高频离子源、加速管、高压发生器、聚焦装置、供气系统、微秒脉冲系统、控制系统、真空系统和实验靶室组成。它能产生150μA的直流氘离子束和宽度为10～100μs,频率分别为10 Hz,1 000 Hz,10 000 Hz的脉冲氘离子束。D-T中子产额可达1.5×10~(10)s~(-1)。文章主要介绍了小型移动式中子发生器主要部件的工作原理和结构。     

14 MeV快中子照相准直屏蔽系统的设计与优化

基于强流氘氚中子源科学装置HINEG设计了一套快中子照相准直屏蔽系统。采用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC和ENDF/B-Ⅶ.0数据库计算了准直中子束的中子能谱及注量率、γ射线能谱及注量率、直射中子注量率与γ射线注量率比值(φ_d/φ_γ)、直射与散射中子注量率比值(φ_d/φ_s)、准直束中子注量率的不均匀度等特性参数,并采用MCNP5程序进行了对比验证。研究了准直屏蔽系统的内衬材料、尺寸等对特性参数的影响规律,并通过优化获取了最优设计方案。计算结果显示,在同等计算条件下,SuperMC计算结果与MCNP计算结果相对偏差小于1%,准直屏蔽系统的φ_d/φ_γ为50.1,φ_d/φ_s为5.7,在?30 cm视野范围内的中子注量率为4.80×10~7 cm~(-2)·s~(-1),其中直射中子注量率为4.09×10~7 cm~(-2)·s~(-1),中子注量率不均匀度为5.8%,满足快中子照相对准直束特性参数的要求。     

积分实验系统的标准样品法检验

积分实验是检验评价中子核数据准确性的重要手段,利用标准样品法,对中国原子能科学研究院的积分实验系统进行了检验。标准样品分别采用聚乙烯(10 cm×10 cm×5 cm)和水(?10 cm×5 cm),通过中子飞行时间技术,获得了14 MeV氘氚脉冲中子与聚乙烯作用后47°方向泄漏中子谱,与水作用后30°方向泄漏中子谱。利用MCNP5程序获得相应的模拟,对模拟谱(C)与实验谱(E)中的中子与氢弹性散射峰(n-p散射峰)面积进行了比较。结果表明,两个样品的n-p散射峰面积C/E值均在2%内一致。实验证明系统获得的测量数据是可靠的。     

CLYC探测器n/γ甄别方法比较

为了实现中子和γ射线的分辨探测,搭建了基于Cs2Li YCl6:Ce3+(CLYC)闪烁体探测器、数字示波器和后端上位机的数字化核脉冲采集及分析系统,在239Pu-Be中子源产生的n/γ混合场中进行实验验证。分别采用电荷比较法、脉冲梯度法、离散傅里叶变换法和向量投影法完成了CLYC探测器的n/γ数字化脉冲波形甄别。结果表明:几种方法均可较为理想地实现CLYC探测器的n/γ甄别,在实时监测复杂辐射场时可根据需求进行算法选取。     

低能离子探测器的设计及测试

自行设计制作并测试了用于电子-离子碰撞电离截面测量实验的低能离子探测器。该探测器由Al_2O_3转换板、加速电极、单通道电子倍增器三部分组成。离子沿70°方向轰击转换板,产生数目与离子能量成正比的二次电子,电子由单通道倍增器测量。采用合适的电子学线路和甄别阈,可以有效地把离子计数与本底分开。对10keV Ar~+在入射束流小于10~4s~(-1)时,探测效率接近100％。本探测器可用于低能重离子的计数测量。     

反应堆中子注量率相对分布测量装置中多通道放大甄别器研制

为了测量反应堆内中子注量率分布,保证反应堆内活化 55 Mn- 58 Ni合金探测片γ计数测量的可靠性,本文研制了中子注量率分布测量装置中9通道放大甄别器。多通道放大甄别器性能指标测试与应用测试结果表明：每个通道放大器增益1～21连续可调、甄别器阈值独立连续可调,具有最大计数率高、灵敏度高、稳定性好、系统抗串扰能力强等优点;放大器增益长期稳定性≤1%,甄别器最小输入脉冲宽度≥ 0.1 μs,甄别器最大计数率≤4×10 6 s -1,能用于实时长期稳定测量反应堆内中子注量率分布。     

分析束强流中子发生器中子比产额及靶寿命

将在分析束(D_1~-)轰击下,大面积高速旋转靶半寿命、中子比产额等指标与非分析束作了比较。中子比产额从1.1×10~(11)s~(-1)·mA~(-1)提高到1.6×10~(11)s~(-1)·mA~(-1),氚钛靶半寿命提高一个数量级,靶寿期由1mA·h/cm~2提高到6.9 mA·h/cm~2。     

EJ301液体闪烁体探测器的波形甄别和能量刻度

EJ301有机液体闪烁体探测器具有较好的时间特性、脉冲形状甄别能力和中子探测效率。使用CAEN公司的DT5720波形数字采样器和DPP-PSD(Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制软件,可以通过软件设置实现长、短门和脉冲形状甄别。利用241Am源(0.059 5 MeV)、137Cs-60Co(0.662 MeV、1.171 MeV、1.333 MeV)源和40K源(1.461 MeV)等的康普顿峰,对EJ301探测器进行了电子等效能量刻度、脉冲形状甄别分析、FOM(Figure of Merit)值计算等。研究表明,DT5720波形数字采样器和DPP-PSD控制软件功能完善、简单易用;EJ301探测器中子测量效率高,具有较强的中子/伽马脉冲形状甄别能力,适合快中子的能谱和飞行时间测量。     

金及其伴生元素的动力堆中子活化分析

苏联利用动力堆中子活化分析岩石和矿石中的金及其伴生元素含量。被辐照的样品置于电离室备用孔道。该孔道位于活化区外石墨反射层,直径50mm,此处最大热中子流密度为10~9cm~(-2)·s~(-1),温度80—90°C。样品能在这里长时间(几昼夜)被辐照。利用中子活化分析方法测定金基于放射性俘获的~(197)Au (n,γ)~(193)Au (T1/2=65h)反应和记录的41~2KeVγ辐射能。样品破碎到200目,其含金范围为2×(10~(-5)—10~(-3))％。为定量测量利用标准样P3C-1和P3C-2,其含金量分别为5.21×10~(-3)和9.4×10~(-5)％。被辐照的样品放入聚乙烯安瓿中(直径和高分别为40和20mm),样品质量为15—20g。不仅用全谱中子流还要用镉上中子进行辐照(在后一种情况下安瓿被厚度为O.5mm的镉屏围绕。)。辐照时间与金含量多