[发明专利]一种快中子能谱测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种快中子能谱测量系统及方法。该测量系统主要包括靶材料和伽马谱仪，待测中子束与靶材料内核素反应产生具有多普勒展宽效应的特征伽马射线，通过测量并分析展宽伽马的脉冲幅度谱给出待测中子能谱。本发明简便易行，将中子能谱测量转化为伽马能谱测量，测量精度高。

技术领域

本发明属于辐射探测领域，具体涉及一种快中子能谱的测量系统及方法。

背景技术

中子能谱即中子按能量的强度分布，其准确测量是辐射探测领域一项关键技术，也是一项难题。常见的中子能谱测量方法基于Bonner球探测器或液体闪烁体探测器实现，但精度不高，特别是Bonner球探测器需加工一系列具有不同厚度慢化体，系统复杂。

发明内容

为了克服现有技术测量精度不高、系统复杂等问题，本发明提供了一种针对快中子能谱的新的测量系统及方法。

本发明基于常规伽马谱仪，将中子能谱测量转化为伽马能谱测量，其精度较高，且系统简单易行。基本原理是：某些轻核(低原子序数核，如¹²C)与中子发生非弹性散射反应，其在与中子碰撞后被激发并获得一定的初始速度，被激发的反冲核在物质中运动并逐渐减速，如果激发核寿命较短，在其运动未停止前便退激释放出特征伽马射线E₀，探测器测得的该伽马射线的能量E_γ会因多普勒效应而改变，即其中β是激发核的运动速度与光速的比值，是激发核运动方向与探测器轴线的夹角(附图2中x方向)。由于激发核运动方向具有随机性，因此探测器测量到的伽马能谱是一定能量区间内的多普勒展宽谱，区间边界和谱的形状受到激发核相对速度β的影响，而β取决于入射中子的能量，因此通过分析多普勒展宽谱的形状可以获得入射中子的能量信息。另一方面，多普勒展宽效应也受几何位置影响(影响θ角的取值)，因此可以改变几何条件，如改变探测器轴线与入射中子方向的夹角来获得多组伽马能谱数据，从而更高精度地求解出入射中子能谱信息。

本发明具体给出如下解决方案：

该快中子能谱测量系统，主要包括待测中子源、靶材料、伽马谱仪和数据采集处理系统，所述靶材料设置于入射中子方向上且空间位置固定，靶材料中核素与快中子发生非弹性散射能够产生具有多普勒展宽效应的特征伽马射线；所述伽马谱仪的探测器与靶材料的连线方向即探测器轴线，探测器轴线与入射中子方向夹角在0°≤θ＜180°范围内探测器位置可调；待测中子源与靶材料之间、靶材料与探测器之间分别设置有准直屏蔽体；所述数据采集处理系统用于根据特征伽马射线的多普勒展宽能谱计算待测中子能谱。

在以上方案的基础上，本申请还进一步作了如下优化：

上述靶材料采用石墨。待测中子能量范围取决于靶材料内核素的中子反应阈能。靶材料为石墨时，待测中子为能量在5MeV以上的快中子。

上述探测器采用高纯锗谱仪。伽马谱仪为高纯锗等具有较高能量分辨率的谱仪，其能量分辨率和探测效率易于标定。

上述探测器的典型测量位置包括0°位置和90°位置。

利用上述快中子能谱测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)实验标定或者模拟计算得到系统响应函数矩阵，即一系列不同能量的单能中子与所述靶材料反应，伽马谱仪探测到的特征伽马射线的多普勒展宽能谱H_j(E)，其中j＝1,2,...,n分别对应能量为E_j的单能中子；

2)待测中子束测量：在与步骤1)中相同的实验布局下，采用同一伽马谱仪测量待测中子束照射所述靶材料时产生的特征伽马射线的多普勒展宽能谱H(E)；