油垢厚度检测中的入射中子束设计

赵经武，陈晓城，阿里木江·乃买提，艾尔肯·阿不列木

（1.南京大学 物理学院，江苏 南京 210093；2.新疆大学 科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

中子背散射技术广泛应用于中子测水技术中。由中子背散射技术研制的中子表层型水分计，主要应用于公路、铁路、机场等土建工程中对土基压实度的检测和控制，以及焦炭中水分的检测和堤防工程防渗墙的渗控效果检验［1－3］。也可用于检测埋在土壤里的地雷［4－7］。中子背散射测量的一个共同缺点是当被测量参数变化较大时，测量的热中子计数对被测量参数出现非线性，并趋向于饱和，这是由中子的自屏蔽效应引起的，中子在射入目标物质之前，其能量是按一定的能谱分布的，中子在射入目标物质后，由于氢对中子的慢化能力和散射能力强，大量的热中子反射回来并被探测器接收，反射回来的热中子计数与物质中氢的含量呈正比线性关系，含氢量越大，反射回来的热中子计数就越多，同时氢对热中子也有一定的吸收能力，所以中子进入物质越深，剩余的热中子越少，在最深处就没有热中子再反射回来，这就是自屏蔽效应带来的非线性和饱和效应，它使得测量精度下降，测量范围受到限制。文献［8］提出了在慢化体中开孔的技术，使得射入目标物质中的热中子和超热中子比值产生变化，通过调整热中子和超热中子比值，使得射入目标物质中的超热中子不断产生热中子，以补偿目标物质吸收掉的热中子，该技术可改善自屏蔽效应的非线性，扩大测量范围，提高测量的灵敏度和精度。中子能量越高进入的越深，但是在进入目标物质之初，中子能量越高慢化成热中子的概率越低，反射回来的热中子很少，对厚度没有响应。在油垢厚度的检测中，油垢中氢的百分比是一定的，但随着油垢厚度的增加，氢的总量随之增加，因此在油垢厚度检测中，若入射中子能量太高，反射回来的热中子对较薄的油垢没有响应，若入射中子能量太低，反射回来的热中子对较厚的油垢没有响应，所以要对入射的中子能谱进行调整，入射的中子要含有一定比例的热中子，对较薄的油垢厚度有线性响应，也要有一定比例的超热中子，对较厚油垢反射回来的热中子也有线性响应，并且这两个线性响应要一致，这就对入射的热中子和超热中子比值有一定的要求。

本工作拟通过简化模型，应用文献［8］提出的技术原理，初步探讨热中子和超热中子入射比值对油垢厚度检测中非线性的改善情况。采用241Am-Be同位素中子源，讨论镉差法对于研究超热中子被慢化而补偿吸收的可行性。

1 实验方法

以下用简单模型来说明入射不同中子束时，中子计数对油垢厚度响应的非线性影响。该模型假定只接受反射的热中子［8］。

1.1 热中子入射

假设入射的是一束平行热中子束，即热中子的比例为100%，超热中子比例为0。热中子射入目标物质后随深度的变化为：

被来自深度x处的d x厚度物质背散射回来的热中子数d I为：

式中b为入射热中子强度，It为深度为x处的热中子强度，I为探测的背散射热中子强度，Σt和Σs为热中子宏观全截面和θ＝180°方向宏观散射截面，x为深度，t为测量时间，ε为探测效率，D为油垢厚度。

1.2 超热中子入射

假设入射的是一束超热中子，即超热中子的比例为100%，热中子比例为0，并假定超热中子在进入目标物质后随深度按线性增长慢化为热中子，增长系数为α，则在目标物质内，热中子随深度的变化表述为：

其被背散射回来的热中子为：

公式（1）～（4）是两种理想情况，在实际入射中子束中，热中子和超热中子是按一定比例的，假定在目标物质内热中子随深度变化为（1）和（3）式复合式：

（5）式中b／α为入射中子束中热中子和超热中子的比例，而背散射回来的热中子为：

（6）式中，Ω 为立体角。

2 实验测量结果与讨论

2.1 实验装置

实验模拟装置示于图1。实验中使用241Am-Be中子源（活度为3.7 GBq），置于外径为180.0 mm、高度为170.0 mm的圆柱体石蜡－硼酸中子慢化体内（壁厚75.0 mm），准直孔直径30.0 mm，深度为90.0 mm。中子与石蜡中的氢原子核作用很快减速慢化，而掺入适量的硼酸吸收部分热中子，所以入射到模拟管道的中子束，热中子和超热中子有一定的比例。中子探测器为锂玻璃探测器，由直径为40 mm、厚度为5 mm锂玻璃配GDB-44型光电倍增管组成，均由高压电源提供可调高压，由放大器放大和调整信号的放大倍数。数据处理系统采用北京核仪器厂生产的BH1224型微机多道谱仪系统和U MS软件数据采集系统。

图1 模拟用实验装置截面图1——慢化体；2——241 Am-Be中子源；3——铅块；4——钢管；5——油垢；6——空气；7——中子探测器

2.2 测量结果与比较

用一根长300.0 mm、外径为126.5 mm、壁厚为5.5 mm的钢管模拟输油管道。由于聚乙烯与油垢有相似的化学成分，在实验中用聚乙烯模拟油垢，通过在钢管内壁叠加聚乙烯的层数使其厚度范围以2 mm均匀增加为0～20 mm。

由公式（1）～（6）简单模型拟合的曲线示于图2和图3，图中公式（1）和（5）在油垢厚度为0时设为1，为与实验测量结果比较，公式（3）设α＝1，公式 （5）和 （6）设b／α＝31 及 设 Σt＝0.069 mm－1。由图2和图3可见，纯热中子入射在目标物质内随深度呈指数下降，导致背散射的热中子很快达到饱和；而公式（3）假定下的纯超热中子，在深度较浅时对油垢厚度的响应不灵敏，在测量较厚油垢时，背散射的热中子非线性得到明显改善；而当热中子和超热中子按一定比例入射时，背散射的热中子对油垢厚度的响应和非线性都得到了明显改善。

在中子探测器的前端放置镉片，利用镉对热中子的强烈吸收，测量镉上中子计数Nd（能量0.4 e V以上的中子），移去镉片测量全中子计数N0，利用Nt＝N0－Nd计算镉下中子计数。用镉下中子计数Nt评价热中子，用镉上中子计数Nd评价超热中子。镉下中子入射结果与公式（5）比较结果示于图2。由图2可以看出，在油垢厚度增加的初期，实验测量结果与公式（5）吻合较好，而随着厚度增大，热中子有趋向饱和的现象，这是由于慢化体是由石蜡组成，由慢化体出射的超热中子中低能中子比例高，在聚乙烯中很快被减速慢化为热中子。散射的镉下中子计数对油垢厚度的响应与公式（6）的比较示于图3。由图3可以看出，同样在油垢厚度增加的初期，实验结果与公式（6）吻合较好，而随着厚度增大，实验测量结果略小于公式（6）。

图2 目标物质内热中子相对强度随油垢厚度的响应

图3 热中子计数相对强度随油垢厚度的响应

将中子探测器移到模拟管道的另一侧，并正对中子源形成透射测量，测量的镉下中子计数Nt表示热中子随油垢厚度变化的响应，测量的镉上中子计数Nd表示超热中子随油垢厚度增加的响应，结果示于图4，图4中镉上中子和镉下中子的计数N在厚度为0时均设为1。

图4 目标物质内中子相对强度随油垢厚度的响应

由图4可见，在油垢厚度增加的初期，镉下中子计数随厚度的增加在减少，说明入射的中子束中包含了一定比例的热中子，这部分热中子在进入时按指数衰减；而随着厚度的再增加，镉下中子计数随厚度的增加而增加，镉上中子计数则随之减少，说明在油垢中有热中子的产生，这部分产生的热中子是由超热中子在油垢中减速慢化产生的。

3 小 结

由简单模型与实验测量结果比较可见，在中子背散射测量油垢厚度时，用于测量的中子束设计非常重要，中子束设计有助于改善非线性效应，提高油垢厚度检测的水平。本研究只是在简单模型下，利用简单的慢化体设计初步探讨了这种方法的基本原理，慢化体的设计只用了石蜡，而硼酸的加入是为了提高超热中子的比例，但超热中子中低能中子比例较高在油垢厚度较厚时还是出现了明显的非线性效应，为了对非线性效应有进一步的改善，慢化体的设计中应当有适当的其他原子核的存在，如碳原子核，以提高中能中子和较高能量中子的比例。初步研究结果可见，通过调节热中子和超热中子的比例，以及超热中子中低能中子、中能中子和较高能量中子的比例，可以有效改善背散射中子测量中的非线性效应，对背散射中子测量技术的应用有很好的推动作用。

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