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12 - 超低通量超宽能区中子物理和中子测量技术
- Song FENG (University of South China)
12 - 超低通量超宽能区中子物理和中子测量技术
- Hanxiong Huang (CIAE)
中子核数据是核能开发、核技术应用及国防科技发展的重要基础。中子核数据测量涉及的反应道多、能量范围广，反应道主要包括弹性散射、非弹性散射、中子辐射俘获、(n,2n)、(n,3n)、(n,p)、(n,a)及(n,f)等，能量范围通常覆盖热中子至几十甚至几百MeV。因此中子核数据测量涉及各种场景及各种能量的中子探测技术，本报告将简要介绍在核数据测量中，包括中子源参数及不同类型中子核反应的中子探测技术，中子源参数主要包括中子注量率及能谱等参数的测量，反应类型包括次级中子微分及双微分截面、(n,2n)反应截面、裂变瞬发中子谱及带电粒子诱发(如(a,n)反应)的核反应截面测量等技术。
钾冰晶石类探测器CLYC具有优良的热中子、快中子探测能力和中子伽马甄别能力，本文基于同位素中子源、加速器单能中子源、散裂中子源等研究了CLYC用于中子伽马多模探测的性能，结果表明使用单个CLYC晶体可实现对热中子、快中子、高能中子、伽马能谱和注量率的同时测量。当CLYC耦合R6231和XP2020 PMT时具有较好的能量分辨，在耦合R580时具有更好的中子伽马甄别能力。基于$^6$Li(n,t)ɑ核反应，可实现对热中子的高效探测，淬灭因子约0.65，伽马能量分辨率约5%（@662 keV），热中子伽马甄别的优值因子（FOM）为 2.5；利用热中子峰位的移动可实现对10-300 keV快中子的探测。基于$^{35}$Cl(n,p)$^{35}$S等核反应可实现对1-10 MeV能区快中子的探测，利用加速器单能中子源产生的0.9 - 5.2 MeV...
13C(a,n)16O是慢中子俘获过程关键中子源反应，影响我们对天体物理重元素核合成的理解。在入射氦粒子能量为200keV时，13C(a,n)16O的反应截面只有1E-14bar，实验测量极其困难。借助中国锦屏地下实验室（CJPL）极低的宇宙射线本底条件，研制了一个用于低计数率的中子探测器阵列-LERDA。探测器主体是一个有n-γ甄别能力的塑料闪烁体配6个光电倍增管，在塑料闪烁体晶体内部挖洞放入24根氦三管，从而组成一个完整的中子探测器阵列。该阵列一方面通过n-γ甄别剔除伽玛本底，另一方面也可以通过塑料闪烁体与氦三管进行符合测量，剔除无关本底。对该阵列进行了能量线性响应测量及探测效率刻度工作，证实探测器可以满足低通量中子探测的需求。
空间中子是影响航天器和航天员生命安全的重要因素之一。CLYC(Ce) (Cs2LiYCl6:Ce3+) 闪烁体具备同时探测快中子、热中子和伽马射线的能力，在空间中子测量领域引起了广泛关注。本工作基于CLYC(Ce)和SiPM研制出了一款具有同时测量带电粒子、中子和伽马射线能力且同时具备小型化、宽量程特点的空间中子探测器。主要内容有：1）基于极零相消技术改进了电子学读出方案，使得探测器信号的上升沿从原来的2μs提升到了目前20ns，大大提升了探测器的定时能力，使通过飞行时间方法测量高能中子成为可能；2）基于中国散裂中子源的白光中子，利用飞行时间方法测量了CLYC(Ce)探测器0.1-100...
地月空间辐射粒子包括质子、重离子、电子等带电粒子及中子、伽马射线等中性粒子。其中，空间中子有多种来源，宇宙线和地球大气或月壤物质发生核反应产生的反照中子是地月空间中子的主要来源之一；中子及其衰变所产生的带电粒子被认为是地月空间尤其是月表的重要辐射粒子源；同时中子容易被水慢化，在月表通过对中子的探测可以反演月球水等物质的分布。针对近地空间中子探测需求，我们设计了一款基于硅探测器的中子谱仪，能够探测空间中子与高能带电粒子环境，帮助研究地球内辐射带粒子来源等科学问题。该中子谱仪经全面的地面测试和标定实验，已于2024年1月搭载“未名一号”卫星发射入轨，目前谱仪的各项指标均正常，数据正在持续积累和处理中。
(alpha, n)反应是核天体物理s过程中最重要的中子产生反应，同时也是中微子和暗物质探测器的重要本底来源。“聚乙烯+3He管阵列探测器”是直接测量(alpha, n)反应截面最常用的探测系统，但该探测系统对不同能量的出射中子的探测效率的响应并不一致，导致需引入一定的系统误差。本报告提出一种新的中子探测系统，拟以重水为慢化体，“3He+CF4”为中子探测气体，通过慢化后的中子与3He发生反应生成的质子与氘核电离激发CF4气体闪烁发光的方式测量中子信号。本报告将介绍“3He+CF4”气体闪烁中子探测器的概念设计，预期能在0.001-10 MeV中子能区提供平坦度在5%以内的能量效率曲线，平均探测效率可高达75%，能够显著降低之前(alpha, n)截面测量中探测效率引起的系统不确定度。
本文研制了具有方向敏感、高剂量精度的宽能区单球中子能谱仪。设计了聚乙烯+铅嵌套慢化体结构，实现了10^-9~10^3MeV宽能区中子的有效响应；巧妙地叠层结构设计使得六十余个微型中子探测器均匀布置在慢化球体中，实现了小于5%的中子响应各向异性；自主研制了高集成度低功耗64通道信号采集电路，实现了探测器能谱的实时获取与处理。开展了多元慢化响应的剂量算法研究，中子剂量精度＜6%；采用Gravel迭代解谱算法并建立了丰富的预置谱库，实现了多场景下中子能谱的准确测量，对252Cf、Am-Be裸源的能谱相似度分别为0.91、0.97；构建了谱仪对不同能量中子的方向响应矩阵，实现了孤立中子源的方向测量能力。
中子能谱测量在核能、核物理、高能物理、环境监测等领域都具有广泛的应用。传统的多球中子能谱仪采用先慢化后测量的方式，存在体积大、分辨差等局限。本文研制了多种探测器融合的小型中子能谱仪，采用3He正比计数器、含氢正比计数器和塑料闪烁体探测器，结合自主开发的数字化信号采集系统和神经网络解谱技术，可测量热能到20MeV中子能量范围，能量分辨率约3%@1MeV。中子周围剂量当量率范围10uSv/h~1mSv/h，误差<5%。整机通过了电磁兼容、冲击振动、温湿度等“六性”试验，可满足不同实验环境需求。
设计并研制了基于金硅面垒探测器的多重符合反冲质子望远镜系统样机，在英国ISIS散裂中子源ROTAX束线上开展了探测器测试。利用ΔE-E技术对相邻的两个探测器开展符合分析以挑选反冲质子事例，并基于穿透每个探测器的不同带电粒子开展在线能量刻度，获得了良好的线性响应关系。通过对质子束流强进行归一化处理，获得有无聚乙烯转换靶的反冲质子谱，结合Geant4计算的反冲质子望远镜系统响应函数，得到了20-200 MeV能区的快中子能谱。该类型谱仪适应强本底干扰测量环境，为快中子能谱测量提供了技术参考。
Bonner多球谱仪(BBS)求解中子能谱是一个复杂的多维模型，需要使用复杂的优化算法求解第一类Fredholm积分方程。针对极大似然期望最大化(MLEM)算法容易陷入局部最优，粒子群优化(PSO)算法粒子飞行方向和步长不合理导致的效率和精度的问题，提出了一种改进的PSO-MLEM算法用于中子能谱解谱。PSO-MLEM算法利用动态加速因子平衡全局和局部搜索能力，提高算法的收敛速度和精度。首先，使用蒙特卡罗方法模拟了BSS的响应函数和计数率，采用了国际原子能机构403号技术报告中的4个参考中子能谱作为蒙特卡罗方法的输入参数，并采用PSO-MLEM算法对模拟数据进行解谱。最后，利用BSS对$^{252}$Cf中子源进行测量，并采用PSO-MLEM算法进行解谱。解谱结果表明，与最大熵反卷积(MAXED)、PSO和MLEM算法相比，PSO-MLEM算法参数更少，收敛速度和相关系数更高，相对平均误差降低。
宇宙线μ子产生的快中子是深地空间中子本底的主要来源之一。由于宇宙线μ子的高能量和低通量，其产生的中子能谱与产额难以直接测量。高能μ子可以通过库仑激发、弹性散射以及电磁簇射反应等多种方式产生中子，其中库仑激发过程是主要的。根据Weizsäcker-Williams虚量子方法，当能量转移低于轻子能量的1/10时，相对论因子相同的轻子的库仑激发过程是类似的。因此我们可以通过测量电子库仑激发产生中子的能谱与产额，对宇宙线μ子产生的中子能谱与产额进行预测。本研究通过剩余活度法测量了由能量范围为20至110 MeV的电子引发的181Ta(e, e'xn; x = 1–8)181−xTa反应截面，并与虚量子方法的理论计算结果进行比较，验证了虚量子方法的有效性，这一能量范围的电子与4.14至22.77 GeV能量范围的μ子等效。
