瞬发伽玛活化分析中3种探测器性能比较

利用中国先进研究堆(CARR)热中子束流孔道首次开展了瞬发伽玛中子活化分析(PGNAA)实验。对NH4Cl、Si、Fe、Al等4种样品进行了辐照,同时采用HPGe、LaBr_3、BGO 3种探测器对样品进行实时测量,在瞬发伽玛射线的能量为0.002~10 MeV范围内研究了3种探测器在宽能区的能量线性、能量分辨率、探测效率等性能。     

基于LaBr_3(Ce)的蒸汽发生器泄漏率监测仪

介绍用于核电厂蒸汽发生器泄漏率监测的配以LaBr_3(Ce)探测器的新型检测仪。通过对LaBr_3(Ce)探测器与NaI(Tl)探测器能量线性、能量分辨率、探测效率和温度影响等性能特性的对比分析,显示了LaBr_3(Ce)探测器的良好性能。研究表明:配以LaBr_3(Ce)探测器的蒸汽发生器泄漏监测仪将可能逐渐替代在用的配以NaI(Tl)探测器的蒸汽发生器泄漏监测仪。     

基于14 MeV μs脉冲中子发生器与NaI(Tl)和BGO闪烁探测器的爆炸物检测系统的研制

介绍了利用14 MeV μs脉冲中子发生器、NaI(Tl)和BGO闪烁探测器建立的爆炸物检测实验系统.研究了中子感生瞬发γ能谱的时间特性,分别测量了快中子的非弹性散射γ能谱和热中子辐射俘获γ能谱.使用了NaI(Tl)和BGO两种探测器测量γ能谱;NaI(Tl)探测器在测量14N的热中子辐射俘获γ 10.835 MeV时表现出了很好的性能,而BGO探测器则在测量12C和16O的快中子非弹性散射γ时得到了较好的结果.利用这两种探测器测量了22种样品,其中包括RDX、TNT、NQ 3种炸药.根据NaI(Tl)和BGO测量到的中子感生瞬发γ能谱,在分析了1H、12C、14N、16O的元素含量之后,有效地实现了对炸药与普通物品的分辨.     

基于14 MeV μs脉冲中子发生器与NaI(Tl)和BGO闪烁探测器的爆炸物检测系统的研制

介绍了利用14MeV μs脉冲中子发生器、NaI(Tl)和BGO闪烁探测器建立的爆炸物检测实验系统。研究了中子感生瞬发γ能谱的时间特性，分别测量了快中子的非弹性散射γ能谱和热中子辐射俘获γ能谱。使用了NaI(T1)和BGO两种探测器测量γ能谱；NaI(Tl)探测器在测量“N的热中子辐射俘获γ10、835MeV时表现出了很好的性能，而BGO探测器则在测量^12C和^16O的快中子非弹性散射γ时得到了较好的结果。利用这两种探测器测量了22种样品，其中包括RDX、TNT、NQ3种炸药。根据NaI(Tl)和BGO测量到的中子感生瞬发γ能谱，在分析了^1H、^12C、^14N、^16O的元素含量之后，有效地实现了对炸药与普通物品的分辨。     

地层元素测井中探测器响应数值模拟研究

地层元素测井中常利用LaBr₃、BGO等晶体探测器测量γ能谱确定元素和矿物含量,晶体探测器计数效率与能量分辨率等参数是决定能谱质量和元素含量计算精度的关键因素。本文通过对比研究LaBr₃和BGO两种晶体探测器的能谱响应特性,利用蒙特卡罗方法建立了不同元素含量与种类的地层模型,模拟研究了两种晶体探测器的γ响应能谱,并利用最小二乘法计算了元素含量。结果表明：当地层矿物模型中元素种类较少时,两种晶体探测器测得的元素含量差异较小;当元素种类较多时,由于能谱中不同元素γ射线重叠及互相干扰,LaBr₃晶体探测器测得的元素含量计算精度优于BGO晶体探测器,体现了在复杂地层岩性元素含量测量中,高能量分辨率晶体探测器的探测优势。     

基于CLYC探测器的可控源中子孔隙度测井数值模拟研究

利用Cs₂LiYCl₆:Ce(CLYC)探测器替代中子孔隙度测井中的³He中子探测器,已成为石油测井仪器发展的新思路。为探究在中子孔隙度测井中使用新型探测器的可行性,通过蒙特卡罗模拟,研究了CLYC探测器在不同⁶Li纯度和探测器尺寸下的热中子计数通量,同时与不同内部气压下的³He探测器热中子计数结果进行对比;另外根据仪器使用不同探测器时获取的中子孔隙度响应,验证了CLYC探测器的可替换性。研究表明:新型CLYC探测器在⁶Li纯度高、探测器尺寸大时热中子计数效率高;相比于³He中子探测器,热中子探测效率较低的CLYC探测器经过源距组合分析优化后,得到的中子近远比响应结果与³He中子探测器近似,能够有效应用于地层孔隙度获取。     

脉冲中子全能谱测井数据处理方法及影响因素的模拟研究

C/O能谱测井是确定含油饱和度的主要测井方法,模拟水平井条件下的非弹性散射伽马能谱,研究C/O值与含水饱和度、孔隙度及泥浆侵入深度的关系。而探测器的类型、尺寸、探测效率、能量分辨率、稳谱、能谱的处理方法以及中子对探测器晶体的作用都会对测井结果产生影响。利用蒙特卡罗方法模拟源距分别为30cm和58cm处,且井眼和地层流体分别为油和水砂岩地层的中子能量分布,通过研究中子对NaI、BGO、GSO和LSO四种探测器的作用及响应关系得到：中子对探测器的作用将使地层流体分辨能力降低。模拟改变NaI和BGO晶体探测器的直径和长度时的探测器响应能谱,采用不同的能窗处理方法对地层流体的分辨能力不同,选取光电峰和第一、第二逃逸峰对应的能量窗时BGO晶体探测器测量的C/O差值要比NaI晶体探测器的大,但受尺寸的影响不大;但采用光电峰对应的能量窗时,BGO晶体探测器测量的C/O差值要比NaI大得多,且随着尺寸的增加差值也增加。能量道的飘移对C/O值影响较大,而能量分辨率对差值影响相对较小     

溴化镧探测器在1–10MeV能区的能量刻度

溴化镧(铈)(LaBr3(Ce))闪烁探测器具有较高的能量分辨和较高的探测效率,在中子质询非破坏性检测爆炸物、违禁品及地雷等研究领域发挥了重要作用。本文提出了中子场中LaBr3(Ce)探测器宽能范围的刻度方法:分别测量中子诱发NH4Cl和三聚氰胺(C3H6N6)的瞬发能谱,对比后确定了各核素的特征峰,获得了1–10MeV能区的能量刻度曲线。采用二次多项式及三次多项式拟合,能较好地区分被测特征核素。     

用LaBr_3(Ce)γ谱仪实时监测反应堆回路水放射性

为实现用LaBr_3(Ce)γ谱仪实时监测反应堆回路水中裂变产物,对该谱仪系统在裂变产物放射性核素测量中的几个关键问题进行研究。着重研究了裂变核素的选择、高能端效率刻度、符合相加修正、脉冲堆积及谱仪的稳谱等问题。通过实验测试与MC计算相结合方法,获得了初步的解决方案,进一步提高LaBr_3(Ce)探测器在一回路水放射性核素分析、燃料元件破损监测、核事故条件下放射性监测等方面的准确度。     

新型闪烁探测器:锗酸铋、碘化铯和碘化钠的对比

对锗酸鉍闪烁探测器(Bi_4Ge_3O_(12)简称BGO)与碘化铯CsI(Na)和碘化钠NaI(Tl)探测器进行了两次对比研究,特别研究对比了它们在γ能谱测井中的应用。研究结果对其它方面如在野外轻便γ能谱仪和闪烁仪中的应用也有意义。加拿大地质调查局研究对比时使用的是渥太华测井标定模型,Bendix野外工程公司使用的是美国能源部大江克欣的标定模型。看来BGO探测器对铀矿勘探和评价有明显的优点,特别是在需要使用小体积探测器的地方,如在小口径钻孔中的测井。CsI(Na)探测器也有一定的优点。     

NaI:TI与LaBr_3:Ce~(3+)闪烁体探测器能量分辨的GEANT4模拟

闪烁体探测器γ能谱测量中,闪烁光子的产生、传输及光电器件收集、倍增均对能谱的分辨有巨大影响。为了精确模拟闪烁体探测器的能量分辨,采用蒙特卡洛模拟软件GEANT4建立了一套模型,分别对Na I(TI),LaBr_3:0.5%Ce~(3+)闪烁体探测器测量能量为662 ke V的γ射线能谱进行模拟,获得的结果与实验测试结果能够很好的符合,验证了建立模型合理性与可靠性,为闪烁体的设计提供了一套更精确的开发工具。     

脉冲中子地层元素测井仪优化设计中的蒙特卡罗模拟研究

采用蒙特卡罗方法研究了脉冲中子地层元素测井仪闪烁晶体材料、井眼屏蔽体厚度、硼套表面密度等设计参数对仪器测井响应的影响。结果表明：LaBr₃晶体的测井响应特性优于BGO晶体;高矿化度盐水对测量结果影响很大,井眼屏蔽体厚度为1.2 cm时,可屏蔽60%以上井眼γ射线;硼套中¹⁰B表面密度达到0.065 g/cm²时,可消除仪器外壳材料产生的俘获γ本底;俘获能谱的探测深度随孔隙度的增加而减小,非弹性散射能谱对不同孔隙度地层的探测深度基本一致,约为14 cm。     

闪烁体耦合SiPM测量γ能谱的模拟研究

硅光电倍增管(Silicon photomultiplier,SiPM)是一种新型的光电探测器件,由工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列组成。利用GEANT4蒙特卡罗软件包对LaBr_3:10%Ce~(3+)、Na I(TI)闪烁晶体耦合SiPM测量γ射线能谱进行了细致的模拟,通过单色光LED光源照射SiPM,得到SiPM自身暗电流噪声经电子学放大后,与集成的盖革雪崩二极管之间的间隙引起吸收光子涨落对能谱的展宽。对模拟得到的662 keVγ射线能量分辨率进行修正,最后与实验结果对比能够很好地符合,还得到了一组对应闪烁晶体本征能量分辨率的程序参数Pr,s。结果验证了模拟程序设置的闪烁晶体与封装材料光学参数的合理性与可靠性,为闪烁体探测器设计提供了一套开发工具。     

参考法扣除溴化镧探测器固有本底谱

为减少溴化镧[La Br3(Ce)]探测器固有放射性对低计数水平下测量的影响,探讨了一种参考法扣除La Br3(Ce)探测器固有本底谱。通过引入一个碘化钠[Na I(Tl)]探测器作为参考,并利用MC模拟得到两探测器的探测效率比,将屏蔽条件下La Br3(Ce)探测器能谱中的环境本底谱扣除,得到更准确的La Br3(Ce)探测器固有本底谱。实测能谱在扣除固有本底谱后,原本被固有本底谱影响的峰得到了恢复,有助于后续能谱分析中的定性和定量分析。     

手持式单板500MHz采样率数字化多道设计

针对Cs2LiYC16:CE(CLYC)闪烁晶体、掺硼塑料闪烁体等中子/γ探测器的电流脉冲波形的甄别,需要高速数字化多道脉冲幅度分析器。采用直接耦合方式设计高速模拟前端电路,将高速模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)配合现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)芯片实现数字化设计,在FPGA内部实现了高速数字滤波、脉冲幅度提取、基线扣除、谱线存储与传输等功能。通过嵌入式的Power PC内核,实现替代外部控制器的复杂时序功能,并挂接通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)外设芯片实现与外部计算机的高速双向数据传输。本文还设计了低噪声、大电流的开关电源,最终实现了可脱机独立运行的手持式单板高速数字多道。通过实测数字多道的模拟前端电路大信号带宽达110 MHz,小信号带宽达200 MHz,实时采样率为500 MHz,脉冲计数通过率大于107 s-1,线性度达0.999 8,连接NaI(Tl)、掺硼塑料闪烁体、LaBr_3(Ce)等闪烁体探测器实测谱线合理,满足实际使用要求。     

LaBr_3(Ce)闪烁体APD前端读出设计

本文以雪崩光电二极管为小体积Labr_3(Ce)闪烁体的光电读出器件,并设计低噪声电荷灵敏前置放大器与雪崩光电二极管进行匹配组成完整前端探头,可应用于便携式小体积能谱仪中。雪崩光电二极管的增益、暗电流和结电容易受两端偏置电压影响,而这些特性的变化将影响能谱的读出效果。为此在不同的偏置电压下,测试了该探头组成的闪烁探测器的能量分辨率。当偏置电压为380 V时,对能量为662 keV的γ射线的最佳能量分辨为3.97%。     

可控中子源中子-伽马测井仪中屏蔽结构的优化

本文设计了一种使用遗传算法调用蒙特卡罗计算软件MCNP的方案,用以优化设计中子-伽马测井仪中的屏蔽结构。以D-D聚变中子源和BGO探测器为研究对象,以最小化探测器内的辐照本底为优化目标,设计出了3种不同厚度的屏蔽结构。模拟结果表明,这些屏蔽结构具有优异的屏蔽性能,可有效地降低探测器中的辐射本底。