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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

α径迹法用于分辨高浓铀和Pu微粒的方法研究

擦拭样品微粒分析技术是核保障环境样品分析的一种主要手段,从大量灰尘颗粒中识别并定位含高浓铀（HEU）或含Pu微粒是微粒分析首先需要解决的问题。本文以HEU和Pu微粒为研究对象,建立了用于微粒α径迹测量的样品制备方法,采用CR-39固体径迹探测器为α径迹探测器,测量了不同蚀刻时间2种微粒产生的α径迹星的径迹参数。结果表明：可通过测量径迹短轴与曲率直径并作图来分辨HEU和Pu微粒,该方法对于蚀刻时间大于10 h的微粒径迹星,均能明显分辨,对于径迹非常密集的径迹星,也能准确分辨。     

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。     

高分辨中子闪烁体探测器读出电子学研制

能量分辨中子成像谱仪是中国散裂中子源当前在建的谱仪之一,其衍射探测器90°分区采用6LiF/ZnS中子闪烁体探测器作为探测设备。为实现探测器高位置分辨,读出电子学系统采用了一种电容网络复合读出电路和电荷重心法相结合的实现方法,并研制了电子学样机。该样机由电容网络复合读出电路、前置放大板和数字读出板三部分组成,基本功能验证完成后,分别在实验室和中国散裂中子源的20号束线上进行了相关性能参数测试,测试结果显示：电子学的积分非线性≤0.95%,时间分辨约为12 ns;探测器位置分辨为1 mm、探测效率为65%@1.6?,均达到了工程设计指标。该样机的成功研制为能量分辨中子成像谱仪未来顺利开展谱仪实验提供了可靠的技术保障。     

中国先进研究堆中子织构谱仪的分辨率和极图窗研究

为计算中国先进研究堆（CARR）中子织构谱仪的分辨率和极图窗,基于倒空间衍射几何的误差分析推导了谱仪分辨率和极图窗的计算公式,并将其应用于CARR中子织构谱仪。结果表明,极图窗近似为狭窄的长方形,其沿β方向的分辨率较高,沿α方向的分辨率随衍射角变化较大。对于特定的衍射角,³He管点探测器的α分辨率为固定值,而二维位置灵敏探测器的α分辨率可根据样品和织构分布的测量需要沿纵向进行分份调整。     

强流加速器D-Be中子源中子慢化引出研究

为优化成像中子束注量率和能谱,在考虑中子源能谱、角分布、面源结构及靶系统条件下,利用MCNP程序模拟源中子的慢化和输运过程,记录不同模型时慢化体内热中子注量率分布和成像中子束成分。结果表明,聚乙烯更适合用作小型热中子源慢化反射材料;D+束轰击靶面的束斑大小影响热中子在慢化体内的分布,束斑半径在1cm内变化对中子慢化影响较小;增加热中子引出孔道与D+束轴线的夹角能有效提高引出热中子束的纯度。     

D-T中子源束斑尺寸测量技术及应用

D-T中子发生器作为高能中子源,已用于特种核材料的有源探测技术中,利用时间符合法可实现被测物体的多模式成像,而中子源束斑尺寸是影响成像位置分辨的一个重要的因素。因此,结合D-T反应的特点和实际应用环境,开发了n-α关联符合测量确定中子源束斑尺寸的方法。利用该方法对小型移动中子发生器的束斑尺寸进行了测量,获得的束斑尺寸为(2.8±0.9) mm,与用CCD相机直接观测得到的约3 mm的测量结果一致,证明了该方法测量束斑尺寸的可行性。该方法也可用于辅助D-T中子源调束和关联粒子成像实验过程中的束斑监测。     

Beam Spot Size Measurement Technology and Application for D-T Neutron Source

As a high-energy neutron source, the D-T neutron generator has been used in the active detection technology of special nuclear materials. The time coincidence method can be used to achieve multi-mode imaging of the measured object, and the beam spot size of the neutron source is a very important factor that affects the imaging position resolution. Therefore, combined with the characteristics of D-T reaction and practical application environment, a method for n-α correlation coincidence measurement to determine the beam spot size of neutron source was developed. This method was used to measure the beam spot size of a small mobile neutron generator. The beam spot size obtained is （2.8±0.9） mm, which is consistent with the measurement result of about 3 mm obtained by direct observation with CCD camera, which proves that this method is feasible. This method can also be used to assist D-T neutron source beam tuning and beam spot size monitoring in associated particle imaging experiments.     

兰州大学的中子发生器研制及应用展望

1988年兰州大学成功研制了3×10¹² s^-1的ZF-300强流中子发生器,主要用于核数据测量、材料辐照损伤等研究。为进一步开展活化法中子核数据测量、裂变物理等研究,兰州大学启动了基于倍压加速器的ZF-400强流中子发生器研制工程,该中子发生器的设计指标为D束流能量400 keV、D束流强度大于30 mA、D-D中子产额大于5×10¹⁰ s^-1,D-T中子产额大于5×10¹² s^-1。在裂变物理研究方面,已成功发展了描述裂变核断点裂变势的势驱动模型（potential-driving model）,并开展了中子诱发典型锕系核素裂变发射中子前裂变产物的质量分布计算研究;将potential-driving model植入Geant4程序,发展了用于裂变发射中子后裂变产物质量分布、动能分布、裂变中子能谱等模拟的蒙特卡罗方法,并开展了可靠性评估研究;研制了一套用于裂变产物实验测量的双屏栅电离室（TFGIC）,并完成了初步实验测试。在中子应用技术方面,为满足小型化中子应用技术系统的研发需求,兰州大学成功研制了长度984 mm、直径234 mm的紧凑型中子发生器,通过在引出加速电极和靶之间加电阻的方式产生偏置电场,实现对靶上二次电子的抑制。在自注入靶条件和150 keV氘束流能量下,D-D中子产额可大于5×10⁸ s^-1,该中子发生器已具备产生D-T中子产额大于10¹⁰ s^-1量级的潜力。完成了基于紧凑型D-T中子发生器的快中子准直屏蔽体的设计,并研发了基于微通道板的快中子成像探测器,初步D-T快中成像测试显示,图像空间分辨率约为500 μm。开展了基于紧凑型D-D中子发生器的核燃料棒²³⁵U富集度及均匀性检测系统研发,仿真研究表明,在D-D中子产额5×10⁸ s^-1条件下,对核燃料棒中10%范围内的²³⁵U富集度相对变化的检测置信度可达到99%。     

Investigation of OPET Performance Using GATE, a Geant4-Based Simulation Software

A combined optical positron emission tomography (OPET) system is capable of both optical and PET imaging in the same setting, and it can provide information/interpretation not possible in single-mode imaging. The scintillator array here serves the dual function of coupling the optical signal from bioluminescence/fluorescence to the photodetector and also of channeling optical scintillations from the gamma rays. We report simulation results of the PET part of OPET using GATE, a Geant4 simulation package. The purpose of this investigation is the definition of the geometric parameters of the OPET tomograph. OPET is composed of six detector blocks arranged in a hexagonal ring-shaped pattern with an inner radius of 15.6 mm. Each detector consists of a two-dimensional array of 8 × 8 scintillator crystals each measuring 2 × 2 × 10 mm(3). Monte Carlo simulations were performed using the GATE software to measure absolute sensitivity, depth of interaction, and spatial resolution for two ring configurations, with and without gantry rotations, two crystal materials, and several crystal lengths. Images were reconstructed with filtered backprojection after angular interleaving and transverse one-dimensional interpolation of the sinogram. We report absolute sensitivities nearly seven times that of the prototype microPET at the center of field of view and 2.0 mm tangential and 2.3 mm radial resolutions with gantry rotations up to an 8.0 mm radial offset. These performance parameters indicate that the imaging spatial resolution and sensitivity of the OPET system will be suitable for high-resolution and high-sensitivity small-animal PET imaging.     

A study of gas electron multiplier

A new kind of gas detector based on gas electron multiplier (GEM) is studied for X-ray imaging of high luminosity. A single-GEM device is designed to test the prnperty of GEM foil ,The effective gain and counting capability of a double-GEM detector are measured by an X-ray tube with Cu target. An initial X-ray imaging experiment is carried out using a triple-GEM detcctor and the position iesolution of less than 0.1mm is achieved. The 3D distribution of electrostatic field of GEM mesh is also presented.     

多探测器快中子飞行时间谱仪

描述了一台串列加速器HI-13上的多探测器快中子飞行时间谱仪,并与国际上同类谱仪进行了比较。本谱仪主要用于能量大于8 MeV的快中子散射实验、次级中子双微分截面及带电粒子引起的出射中子能谱的测量。简要介绍了谱仪各主要部分(包括零信号拾取筒、氘气体靶、探测器、电子学等)的结构和特性及其在快中子实验中的应用。     

Evaluation of D(d,n)3 He reaction neutron source models for BNCT irradiation system design

A mathematical method was developed to calculate the yield,energy spectrum and angular distribution of neutrons from D(d,n)~3He(D-D)reaction in a thick deuterium-titanium target for incident deuterons in energies lower than 1.0MeV.The data of energy spectrum and angular distribution were applied to set up the neutron source model for the beam-shaping-assembly(BSA)design of Boron-Neutron-Capture-Therapy(BNCT)using MCNP-4C code. Three cases of D-D neutron source corresponding to incident deuteron energy of 1000,400 and 150 key were inves- tigated.The neutron beam characteristics were compared with the model of a 2.45 MeV mono-energetic and isotropic neutron source using an example BSA designed for BNCT irradiation.The results show significant differences in the neutron beam characteristics,particularly the fast neutron component and fast neutron dose in air,between the non-isotropic neutron source model and the 2.5 MeV mono-euergetic and isotropic neutron source model.