“裂变—电子收集”中子探测技术研究

发布时间：2020-05-15 09:28

【摘要】：某些核素的中子诱发裂变截面在很宽的能区范围内具备较好的平坦特性,基于裂变的中子探测器具有实现能量响应平坦的潜力。“裂变-电子收集”中子探测技术利用裂变碎片在裂变材料中产生并逃逸的电子给出输出信号,电子收集处于真空环境。由于不存在裂变产物与中间介质的二次作用,直接将裂变能转换为电信号输出,“裂变-电子收集”中子探测技术能够较好地反映裂变截面平坦的特性,电荷收集没有介质原子阻碍,还可同步实现快速的时间响应。本文在理论和实验两个方面,对“裂变-电子收集”中子探测技术开展系统性研究。“裂变-电子收集”中子探测器主要由镀有裂变材料的涂层电极和位于两侧的电子收集电极组成。通过对中子与探测器相互作用以及中子次级粒子输运过程进行物理分析,结合Monte Carlo数值模拟,本文首先完成裂变材料选择、电极材料选择和涂层厚度确定等物理设计和优化工作。在此基础上开展了真空靶室主体结构设计、电极固定和定位设计、真空获取和保持方案制定等工程设计工作,确定了探测器原型机整体设计方案;之后进一步完成了探测器原型机制造及考核、大面积涂层电极制备工艺研究、反应堆中子验证实验、加速器中子标定实验等研制与验证工作。通过上述研究工作,获得的主要结论包括:1)“裂变-电子收集”中子探测器对中子的能量响应平坦程度与裂变截面相当;2)逃逸的裂变碎片本身、电极的材料选择以及电极间距都不会对探测器输出产生本质影响;3)在一定范围内,探测器中子灵敏度随涂层厚度增加,超过此范围后灵敏度趋于固定:4)电子在真空中运动速度高,探测器电荷收集时间在ns量级;5)百伏量级的正高压可使探测器灵敏度有倍数的提升,更高的电压不会有更好的效果,探测器工作电压的选择需要权衡线性电流和真空保持的因素;6)DT中子灵敏度标定实验探测器易受干扰,干扰因素包括电路噪声和环境散射本底;7)采取综合手段提高测点注量率同时压低噪声电流,可有效降低电路噪声影响;8)电极的对称结构设置对环境中子非弹Y本底有良好抑制效果,利用源中子和散射中子不同的分布特点,通过数学方法可排除标定中散射中子的影响。γ射线是混合辐射场中子测量的主要噪声来源。在分析γ射线及其次级电子在“裂变-电子收集”探测器中输运特点的基础上,利用MonteCarlo方法,本文证明文献给出的γ灵敏度抑制方案存在局限,同时提出调整电极参数平衡信号输出电极(涂层电极)电荷得失抑制γ输出的新方案,经实验验证该方案效果良好。通过上述理论和实验研究,获得了对于“裂变-电子收集”中子探测技术的基本认识,完成了探测器原型机的设计、优化和实验验证工作,解决了探测器γ灵敏度抑制、弱信号高本底实验标定、大面积涂层电极制备等难题。探测器原型机对DT中子的灵敏度为8.65×10-20C·cm2,对60Co同位素源γ射线灵敏度为1.79×10-21C·cm2,二者之比大于40:1,探测器时间响应函数半高宽(FWHM)小于3ns。“裂变-电子收集”中子探测器同时具备能量响应平坦、时间响应快、测量信噪比高的优点,其缺点主要在于裂变放能利用率低,灵敏度低且不具备信号放大功能。论文的研究成果可为深入认识极端条件下物质相互作用的特点和规律,提升高能量密度物理、先进聚变能源以及中子物理学的研究水平提供新型高分辨率的诊断手段。
【图文】：

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【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL816.3

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本文编号：2664820