基于PIPS的~6LiF夹心中子谱仪的研究

发布时间：2020-05-04 05:43

【摘要】：在核反应堆中,中子对核能的释放起着关键作用,中子能谱是非常重要的特征参数,在评价和检验核参数方面都有着重要意义。因此,中子能谱的测量是反应堆监控中最重要的内容之一。快中子临界装置属于实验反应堆的一种,用于开展临界实验。目前常用于快中子能谱测量的方法主要有飞行时间法、活化法、氢反冲法及核反应法,其中飞行时间法的测量能区广、精度高,但设备庞大且不适用于临界装置这种不能确定中子起始时间的应用场景;活化法操作简单且对仪器设备要求不高,但所得中子能谱精度不高;氢反冲法通常使用~3He球形正比管结合液体闪烁体,设计及操作都较为复杂;核反应法通常利用~6Li(n,α)反应制成~6LiF夹心中子能谱仪,其体积小、测量范围大且结构相对简单,测量的准确性决定于所使用的探测器。目前最常于夹心中子谱仪的探测器有常规Si/Ge半导体探测器、金硅面垒型探测器和4H-SiC探测器,其中常规Si/Ge半导体探测器抗辐射性能差且受温度变化影响大、金硅面垒型探测器对α粒子分辨率较差、4H-SiC探测器无法对4MeV以上的中子进行能谱测量,使用这些探测器都难以在快中子临界装置的环境下达到其最佳测量效果。针对上述现状,本文首次提出了一种基于PIPS探测器(Passivated Implanted Planar Silicon detector,钝化离子注入平面硅半导体探测器)的~6LiF夹心中子能谱仪的研制方案,以解决快中子临界装置中子能谱的测量问题。PIPS探测器具有耐辐照、耐高温、漏电流小、α粒子能量分辨率好、入射窗稳固且不需要准直等优点,非常适用于快中子临界装置的测量环境。本文所研究的~6LiF夹心中子能谱仪的探头由两个面对面放置的PIPS探测器构成,其间夹有一层~6LiF中子转换层,对其进行可行性研究,分析其工作原理,通过理论模拟分析转换层厚度对探测效率及能量分辨率的影响规律,并阐述了探测器的对称挑选原则。谱仪利用符合测量原理,对~6Li(n,α)反应生成的次级带电粒子——α粒子和T粒子所产生的探测信号进行筛选,排除干扰粒子的影响,有效提高谱仪的探测准确性。利用“和谱分析法”,将α粒子和T粒子引起的脉冲信号幅度相加并解谱,得到中子能谱。硬件设计方面摒弃过去常用的门电路,以FPGA为控制核心,辅以放大整形电路、模拟电路、ADC模数转换电路及FPGA数字信号处理电路,实现对脉冲信号的处理及符合。通过在CFBR-II堆上开展的热中子测量实验,对系统进行测试和验证,因涉及保密,故无法完全展示准确的测量数据,只能通过图片展示相关的测试结果。以~(239)Pu和~(241)Am混合α源对双PIPS探测器进行性能测试,所得α谱的峰位、峰半宽度基本一致,验证了探测器PIPS1和PIPS2符合夹心谱仪对于探头的对称性要求;同时对比用金硅面垒型探测器和4H-SiC探测器制成的夹心谱仪对α粒子及T粒子的探测结果,验证了PIPS探测器的良好性能;最后对两个PIPS探测器的符合相加信号脉冲幅度谱进行解谱,获得求和符合谱,首次验证了可以利用PIPS探测器制成性能良好的~6LiF夹心中子谱仪,为高精度中子能谱的测量奠定了基础。
【图文】：

中子束,薄靶

对于它们的测量显得尤为重要（Steven L.Bellinger，2012）。947 年起，美国就建立起了多个临界装置，目的是为了进行核，LANL 已经建立了十多个临界装置以及上百个临界和次临界数百次的临界实验，获得了大量相关的临界数据，其中包括：、中子注量和反应率、反应性系数、中子能谱、临界质量等等各器研制的临界安全检验以及核武器设计中计算程序和群常数的相关数据。前苏联于 20 世纪 40 年代起也开始着手建立临界以千万次的临界实验，并用于对二维计算程序和中子数o Bedogni，2010；M.Angelone，2014）。关于反应堆的物理计算中，，有几个很重要的特定物理概念，接单介绍。是中子的微观截面。核反应方程描述的是一个粒子和核相互作单从反应方程来看，没有办法了解与某体积内物质中发生这一数量。

损伤函数,中子能谱

利用中子能谱和截面数据库，通过计算可以得到很多信息，例如装置的中子场的平均反应截面以及中子注量等等，很多装置都会对这些相关参数进行测量，它们都与中子能谱息息相关，所以说中子能谱的测量是十分必要的；中子能谱还可以用来检验核数据库参数的准确性或是校正各种截面参数；点截面、群参数等信息也能利用中子能谱从理论上计算获得；另外还能通过核反应产生的中子能谱而得到核能级的相关数据。总而言之，中子能谱的测量一直以来都是中子场相关参数测量的难点和重点，特别是对于核武器和反应堆的设计和实验而言，各类中子源的中子能谱测量都是必不可少的（杨成德，1995；吴健，2014）。例如电子元器件的辐照实验通常需要在快中子临界装置中进行，如图 1-2 所示为常用的半导体材料 Si 的位移损伤函数。电子元器件的损伤情况通常使用平均位移损伤函数来表示，不同的中子能谱对于电子元器件的损伤情况也是不同的。因此中子能谱的测量对于在模拟源上开展电子元器件辐照实验而言是至关重要的（吴健，2014）。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH842

【参考文献】