D-T中子源的反冲质子望远镜模拟研究

胡继峰 杜洪新 姚泽恩, 金孙均 梁 一

1（兰州大学教育部中子应用技术工程研究中心 兰州 730000）2（兰州大学核科学与技术学院 兰州 730000）

D-T中子源的反冲质子望远镜模拟研究

胡继峰1杜洪新2姚泽恩1,2金孙均2梁 一2

1（兰州大学教育部中子应用技术工程研究中心 兰州 730000）
2（兰州大学核科学与技术学院 兰州 730000）

为了设计用于监测D-T中子产额的反冲质子望远镜系统，采用MCNP程序模拟了14 MeV中子在不同厚度的聚乙烯膜上产生的反冲质子的产额、能谱及角分布，通过对反冲质子的产额、能谱和角分布数据的分析，给出了用于D-T中子产额监测的反冲质子望远镜系统的聚乙烯膜最佳厚度和探测器放置位置。建立了D-T中子源模型，模拟设计了反冲质子望远镜系统，并给出了系统的探测效率。

D-T中子发生器，聚乙烯膜，反冲质子望远镜，MCNP

利用 T(d,n)4He反应的加速器中子源应用于核数据测量、聚变堆材料辐射损伤研究、半导体抗辐射加固、辐射育种、活化分析等领域[1]，而中子产额监测，则是此类中子源开展研究工作的基础。

通常用伴随粒子法、裂变电离室法、反冲质子望远镜法等监测D-T反应的快中子产额。由于裂变材料成分的不确定性，裂变室法须对测量系统进行刻度[2]；由D-T反应伴生α粒子测量中子产额[3–5]，属于绝对测量，测量精度高，但对使用大面积旋转靶的强流D-T中子发生器，伴随粒子法有诸多技术困难；反冲质子望远镜法也是精度的绝对测量方法，由中子在聚乙烯膜(PE)中产生的反冲质子得到 D-T中子产额，其独立于加速器，特别适用于大面积旋转靶的强流D-T中子发生器的产额监测。

兰州大学强流D-T中子发生器采用旋转靶，产额达1012n/s[6]，用反冲质子望远镜监测中子产额。D-T中子束在PE膜中的反冲质子的产额、能谱、角分布等与 PE膜厚的关系，是设计反冲质子望远镜及确定其探测效率的重要依据。本工作用MCNP软件[7]模拟14 MeV中子穿过不同厚度的PE膜时反冲质子产额、角分布和能谱，通过数据分析，确定反冲质子望远镜探测器系统的 PE膜厚度、质子探测器的最佳位置等重要参数；根据厚靶D-T中子发生器的中子能谱和角分布数据，建立了用于MCNP模拟的 D-T中子源中子能量和出射方向的抽样模型；由此模型，用MCNP模拟设计了反冲质子望远镜系统，并给出了反冲质子望远镜系统的探测效率。

1 PE膜的反冲质子产额、角分布和能谱

1.1 方法及材料

用反冲质子望远镜监测D-T中子的原理如图1所示。经准直器准直的D-T中子束轰击在一定厚度的PE膜上，PE膜后的适当位置放置探测器以记录反冲质子，通过反冲质子计数给出D-T中子源的产额。

图1 反冲质子望远镜法测量原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the recoiled proton telescope.

反冲质子望远镜系统首先要求探测器有足够高的探测效率，以降低测量数据的统计误差。诚然，在一定厚度范围内，PE膜越厚，反冲质子产额越高；但膜过厚会加大反冲质子穿在膜中的能量损失及散射，导致质子能谱向低能区展宽。为剔除其它粒子干扰，提高测量精度，反冲质子望远镜通常用∆E–E双探测器和符合技术记录反冲质子，能量较低的质子无法穿越∆E探测器而不能被符合记录，能被纪录的质子能量下限可由∆E探测器的厚度确定。根据现有∆E探测器的厚度(~50 µm)，将能被纪录的质子能量下限设置为3 MeV。PE膜的最佳厚度及探测器的最佳安装位置，由反冲质子的产额、能谱、角分布与PE膜厚度等的综合考虑来确定。

D-T反应产生的中子能量分布在14 MeV附近，为简便起见，本研究采用MCNP程序模拟14 MeV单能中子束在PE膜产生的反冲质子的产额、能谱、角分布，并确定最佳 PE厚度及探测器位置。模拟模型为：截面直径为2 µm的14 MeV单能中子束垂直入射到PE膜(厚度可调)上，以PE膜的中子入射点为圆心，半径为15 cm的四分之一圆弧上，每隔5º设置一个半径为0.1 cm的球形探测器记录反冲质子能谱、产额、Ep≥3 MeV的反冲质子产额。

1.2 模拟结果

对厚度为0.1–0.2 mm的PE膜，该球形探测器模拟记录的反冲质子的单位入射中子产额如图2所示，图 2(a)为总全反冲质子的角分布，图 2(b)为Ep≥3 MeV的反冲质子角分布。

在0º和45º方向上，不同PE膜厚度下出射的反冲质子相对产额,及能量大于3 MeV的反冲质子相对产额，结果如图3所示。在一些典型的PE膜厚度下，这两个特殊方向的反冲质子能谱见图4。

图2 不同PE膜厚度下的总反冲质子角分布(a)和能量大于3 MeV反冲质子的角分布(b)Fig.2 Angular distribution of recoiled protons for PE films of different thicknesses. (a) Total protons, (b) Proton of Ep≥3 MeV

图3 0°和45°方向质子产额随PE膜厚度的变化Fig.3 Yields of recoiled protons in 0° and 45° direction as a function of PE film thickness.

1.3 最佳条件确定

由图2、图3(a)、图4(a)，0º方向的反冲质子产额高、能量高。尽管如此，0º方向不可设置探测器—在准直快中子束的直接照射下，探测器会明显损伤；同时，14 MeV快中子与探测器材料发生核反应，将产生能量较高的质子、α，会造成难于剔出的干扰信号，降低测量精度。

由图2，对于总反冲质子和Ep≥3 MeV反冲质子，不同厚度 PE膜的反冲质子角分布变化规律一致，即随出射角增大，反冲质子产额呈下降趋势，50º–60º的产额下降最快，60º以上的出射角，反冲质子的产额很低。为保证反冲质子望远镜系统有较高的探测效率，又尽可能降低中子对探测器的损伤及中子与探测器作用带来的干扰，探测器安放位置选择在45º方向较为合适。

图4 厚0.1、0.2、0.3、0.4与0.5 mm的PE膜的反冲质子能谱, (a) 0°方向, (b) 45o方向Fig.4 Energy spectra of recoiled protons from 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 mm PE films in (a) 0° and (b) 45o direction.

由45º方向反冲质子产额(图3b)随PE膜厚度变化的M-C模拟结果，PE膜厚度在小于0.4 mm的范围内，随着 PE膜厚度的增加，反冲质子产额成上升趋势，但当PE膜厚度大于0.4 mm时，反冲质子产额不再明显增长。可见PE膜太厚时，PE膜中产生的反冲质子，有一部分已无法穿出 PE膜到达探测器。因此，选择的PE膜厚度应该≤0.4 mm。

2 反冲质子望远镜系统的M-C模拟设计

2.1 厚氚钛靶D-T反应中子源模型

在早先的模拟研究中，通常将D-T反应中子源近似看成各向同性14 MeV单能中子源，事实上D-T反应中子具有一定的角分布，且由于这种中子发生器通常使用厚氚钛靶，中子能量并不是完全的 14 MeV 单能中子。为建立更为精确的描述D-T反应中子源的特性，我们实验室发展了厚氚钛靶D-T反应中子的能谱和角分布的数值计算方法，并开发了相应的计算机模拟程序 dTTdyE。该强流中子发生器通常运行在氘束能量为260 keV，因此，选择此条件下的能谱、角分布数据来构建中子源模型。

图5为用dTTdyE程序计算得到的260 keV氘束的D-T反应中子能谱和角分布。将图5(a)所示能谱数据输入到 MCNP程序，以控制中子能量的抽样；将图5(b)所示角分布转换成中子角产额数据，输入到MCNP程序，以控制中子出射角的抽样。同时，根据该中子发生氘束流在靶上束斑大小，将D-T中子源设置成Φ2 cm的面源。其中，中子角分布可由式(1)转换成角产额数据，

其中，dY/dθ为中子角产额，θ为中子出射角，dY/dΩ为中子角分布。

图5 氚钛厚靶260 keV氘束流下D-T反应的中子能谱和角分布Fig.5 Energy spectra (a) and angular distribution (b) of neutrons from TiT1.5 thick target bombarded with 260 keV deuterons.

2.2 反冲质子望远镜的模拟设计及其探测效率

根据§1.3中得到的最佳条件，用§2.1建立的D-T中子源模拟型，应用MCNP模拟设计了用于该旋转靶强流中子发生器中子产额监测的 45º望远镜探测系统，其结构如图6所示。该系统由中子屏蔽准直器、质子产生和探测靶室组成。中子屏蔽准直器是由 Fe、PE、Pb等材料组成的圆锥体，总长度为60 cm，准直孔直径为3 cm，准直孔入口距氘束在氚钛靶上的靶点距离为30 cm，准直孔轴线与氘束流轴线的夹角为45º。质子产生和探测靶室由PE膜、质子探测器、铝制靶室组成，PE膜厚度为32.512 mg/cm2，直径为1.4 cm，探测器直径为1.98 cm，与PE膜相距5.29 cm，PE膜和探测器均与准直中子束成45º方向安装。

模拟结果显示，在探测器位置，屏蔽准直器快中子(能量大于1 MeV)透射率小于1%，满足对探测器的屏蔽要求。模拟得到的 PE膜前面的准直中子束能谱和探测器位置的反冲质子能谱见图7。

设Yn为D-T中子发生器中子产额，Np为探测器中记录的反冲质子计数率，则望远镜系统探测效率为ε=Np/Yn。通过MCNP模拟，记录了单位D-T源中子在探测器位置能量大于 3 MeV的反冲质子计数，由此得到符合设计的反冲质子望远镜探测效率为 5.12×10–10。

图6 反冲质子望远镜设计示意图Fig.6 Design of the recoiled proton telescope.

图7 准直中子束能谱(a)和探测器位置的反冲质子能谱(b)Fig.7 Energy spectra of the collimated neutron beam (a) and the recoiled protons at the detector (b).

3 结论

(1) 通过14 MeV单能中子在PE膜上产生的反冲质子产额和角分布的模拟，得到了反冲质子望远镜系统PE膜厚度、探测器安放位置等最佳参数。

(2) 构建了较为精确的D-T中子源模型，在此基础上模拟设计了用于兰州大学旋转靶强流D-T中子发生器中子产额监测的 45º望远镜系统，给出的探测器系统效率为5.12×10–10，满足1012n/s强流中子发生器产额监测系统计数率要求。由图12，探测器位置大部分反冲质子能量大于3 MeV，满足∆E–E探测器对质子能量的基本要求。

1 苏桐龄. 核技术, 1989, 12(8–9): 553–556 SU Tongling. Nucl Tech, 1989, 12(8–9): 553–556

2 刘荣, 林理彬, 王大伦, 等. 核技术, 2000, 23(12):851–855 LIU Rong, LIN Libin, WANG Dalun,et al. Nucl Tech,2000, 23(12): 851–855

3 蒋励, 胡俊, 文德智, 等. 中国核科技报告, 2005, 12:62–71 JIANG Li, HU Jun, WEN Dezhi,et al. China Nucl Sci and Tech Report, 2005, 12: 62–71

4 刘荣, 林理彬, 王大伦, 等. 核电子学与探测技术,1999, 19(6): 428–433 LIU Rong, LIN Libin, WANG Dalun,et al. Nucl Electron Detect Technol, 1999, 19(6): 428–433

5 仲启平, 陈雄军, 卢涵林, 等. 原子能科学技术, 2005,39(2): 130–133 ZHONG Qiping, CHEN Xiongjun, LU Hanlin,et al. At Energy Sci Technol, 2005, 39(2): 130–133

6 SU Tongling, SUN Biehe, YANG Baotai,et al. Nucl Instr Meth, 1990, A287: 452–454

7 Los Alamos National Laboratory. MCNP—Monte CarloN-Particle Transport Code System[R]. Los Alamos, New Mexico: Los Alamos National Laboratory, 2005

CLCR144.1

Simulations of recoiled protons for designing a telescope system to monitor neutron yield of a D-T neutron generator

HU Jifeng1DU Hongxin2YAO Ze΄en1,2JIN Sunjun2LIANG Yi2
1(Engineering Research Center for Neutron Application, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)
2(School of Nuclear Sciences and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

To design a recoiled proton telescope for monitoring a D-T neutron generator, the MCNP code was used to simulate the yield, energy spectra and angular distribution of recoiled protons in the polyethylene film bombarded by 14 MeV neutrons. The simulated data were analyzed. The optimum position of detector and thickness of the polyethylene film for the recoiled proton telescope system were presented. A model on the D-T neutron source was developed. The recoiled proton telescope system for monitoring the neutron yield of D-T neutron generator was designed by MCNP simulation. The monitoring efficiencies were presented.

D-T neutron generator, Polyethylene film, Recoiled proton telescope, MCNP code

R144.1

“985工程”项目资助

胡继峰，男，1984年出生，兰州大学核科学与技术学院核技术专业硕士研究生

姚泽恩

2009-10-26，

2009-12-08