影响中子符合计数器测量结果的因素探讨

陆 宏，初泉丽，李多宏，刘立坤，陈芳雷，周志波

影响中子符合计数器测量结果的因素探讨

陆 宏，初泉丽，李多宏，刘立坤，陈芳雷，周志波

（国家核安保技术中心，北京 102401）

在核材料衡算领域，中子计数测量是非破坏性分析技术中一种重要的方法，该技术可以对铀钚等核材料进行定量分析。简述了中子测量原理，并搭建中子平板探测器，对影响中子符合计数器测量结果的一些因素进行实验研究，对该方法更好的应用具有一定的参考意义。

AWCC；中子测量；吸收；效率

随着世界范围内核电的复兴和核技术产业的快速发展，核材料和其他放射性物质的应用更加广泛，随之而来核材料扩散和流失的风险也在加大。同时，国际社会安全形势日趋复杂，恐怖分子和跨国犯罪组织非法获取、贩运核材料，甚至制造核恐怖事件的风险不容忽视。据国际原子能机构“非法贩运核及其他放射性物质数据库”（ITDB）统计，1996年至2019年全球共发生3 686起核材料或放射性材料的非法交易、盗窃或丢失事件，其中290起涉及非法贩卖及恶意使用，12起涉及高浓铀，2起涉及钚，尤其是2016年以来事件数量快速攀升，且多数丢失的材料未被找回。

铀钚是重点关注的对象，在核安保领域对铀、钚核材料的分析可以使用破坏性分析方法和非破坏性分析方法[1]；破坏性分析方法如Davies-Gray滴定方法和库仑电位仪的方法，可分别用来测量铀钚的含量，但需要破坏样品，操作复杂，测量时间较长；也可以采用非破坏性分析方法，中子符合测量技术是非破坏性分析技术中的重要方法之一[2]，因为铀钚都可以自发裂变产生中子，钚的偶同位素自发裂变率很高，可以在无源模式下测量钚和有源模式测量铀[3-5]，对于大质量的238U都可以进行中子测量，结合同位素丰度分析，可以对铀钚定量分析，中子测量不需要破坏样品，尤其对大体积样品可进行快速分析，不受射线的干扰，而且误差很小。

简述了中子测量原理，并搭建中子平板探测器，对影响中子符合计数器测量结果的一些因素进行实验研究，对该方法更好的应用具有一定的参考意义。

1 中子测量原理

中子不带电，具有很强的穿透性，中子探测器一般选用3He 正比计数管，主要利用3He 正比计数管与热中子反应截面大的特点，其反应截面为5 330 ×10-26m2。其核反应如1 式所示:

3He 正比计数管工作示意图如图1 所述。热中子与3He气体发生核反应，释放出能量使3He气体发生电离，电离产生的电荷被收集放大形成电压脉冲，经过放大器进一步放大，进行脉冲分析。

图1 3He正比计数管工作原理图

中子计数器接线示意图如图2所示。

图2 中子计数器接线示意图

2 实验测量设备及组成

2.1 实验测量设备

平板中子探测器系统[6-8]，自制；有源井形中子符合计数器（AWCC），堪培拉公司生产。

2.2 设备组成

平板中子探测器系统，主要有3He管、聚乙烯、高压盒、JSR-15、电源、线缆和中子源组成，将中子源放置在平台上，与探测器保持一定的距离，用隔挡将探测器与聚乙烯板固定，如图3所示。

有源井形中子符合计数器（AWCC）由测量装置、JSR-15中子移位寄存器，以及INCC数据获取及分析软件组成。AWCC符合中子测量装置结构如图4所示，测量腔尺寸为20.6cm×22.9cm(×)(有聚乙烯盘)，测量腔周围的高密度聚乙烯慢化层中分两圈排布了42根3He中子计数管，3He管被分为6组，每组7根。每组3He管接入一个JAB-01型放大/甄别电路板，6个JAB-01型放大/甄别电路板安装在一个密封的电子学盒内。在测量过程中，可以通过与每组3He管相对应的LED指示灯来指示每个JAB-01的工作状态。

图3 平板中子探测器测量系统

图4 AWCC测量装置示意图

3 测量结果与讨论

3.1 中子吸收实验

分别用铝板，铁板，铜板和镉板做实验，观察对快中子和热中子的吸收。按图5所示位置摆放探测器，中子源与吸收板。聚乙烯板的厚度为1.9 cm。分别将金属板插入A、B、C 3个位置，测量中子计数，忽略本底测量，每次测量时间100 s，测量结果如表1所示。

图5 中子吸收实验摆放位置图

表1 不同材料对中子吸收影响

由表1可知，先在A位置放置Cu+Fe+Cd板，然后放置聚乙烯板，对中子吸收不大，若将两者的位置交换，将3种金属板放在B位置，中子吸收明显；将Cu和Fe放置在B位置，中子计数只有微小的降低，对中子的吸收影响不明显，Cd板对中子计数影响较大，主要是镉板的吸收截面（2 450b）远远大于Cu和Fe（2.5b），镉板在C位置时，中子计数略微降低，主要是镉板吸收了环境本底中的中子和散射的中子。

3.2 中子屏蔽效应

对中子源进行屏蔽来研究中子慢化与吸收，源与探测器的位置与前面的试验相同，移走所有的吸收与散射材料。假设252Cf源是外部的中子源，要对其进行屏蔽。将Cd板放置在源侧，在Cd板与源之间放置10 cm聚乙烯板，测量100s，记录结果如表2所示。

表2 聚乙烯板和镉板对中子屏蔽效应

由表2可知，聚乙烯板对中子有很强的屏蔽作用，若屏蔽时采用聚乙烯板与镉板的组合，屏蔽效果将更强，10 cm聚乙烯板将会使中子热化，热中子被Cd板吸收，不能到达探测器，故探测器计数降低。

3.3 偶然计数率与总中子计数率比值（A/T）的测试

在进行测量质量控制，验证电子学线路正常一般是通过总中子计数率与门宽进行计算，总中子计数率能用来计算偶然计数率（calc=2）。估算的和测量的偶然中子计数率两者之间在统计不确定度范围内的不一致性表明符合电路硬件失效或本底中子计数率在测量期间显著变化。将1枚252Cf源置于AWCC探测器测量腔中心位置，在信号触发模式和快开门模式进行测量，测量时间100 s，结果如表3所示。

由表3可知，/calc值在1.0附近，表明电子学线路正常。

3.4 AWCC轴向与径向效率验证

使用252Cf中子源(5065#)，测定空腔条件下沿中心轴的轴向效率响应曲线和中心平面上的径向效率响应曲线，图6为轴向和径向示意图。将1枚252Cf源置于探测器测量腔轴向与径向不同位置，进行测量，时间10s，计算探测器的效率=（总计数率-本底计数率）/源活度，测量结果如图7和8所示。

表3 电子学线路验证结果

图6 轴向与径向示意图

由图7可知，效率最大值位置在距离底部27 cm处，越往上下两端，效率越低，腔体中心位置距离底部30 cm。

由图8可知，在中心点处，径向不同位置进行测量，计数值没有发生很大变化，因此样品左右位置的摆放，对结果影响较小。

在中心水平面取289个点进行模拟计算（图9），点与点之间的距离为1.5 cm，平均中子探测效率为37.8%，相对标准偏差小于1.1%。

3.5 γ源对测量的影响

先将1枚252Cf源（编号5065#）固定于探测器测量腔中心位置，进行测量，时间30 s，再将另1枚0.1mCi152Eu源置于测量腔中心和仪器外面不同位置处，进行测量，结果如下：

图7 轴向效率验证

图8 径向效率验证

图9 模拟计算的测量腔中心平面的探测效率

由表4可见，源在不同位置处的计数基本无变化，不论源在仪器内，还是仪器外，对测量结果基本不产生影响。

3.6 偶然中子事件的影响

先将1枚252Cf源，源号M2-746，置于探测器测量腔中心位置，进行测量，时间100 s，保持测量腔中的源不动，将另外1枚252Cf源，源号FTC-CF-5066，置于探测器外面5 cm处，再次进行测量，测量时间100 s，分析外部偶然中子对总计数率和符合计数率的影响，结果如下。

由表5可知，外部的偶然中子事件对样品测量的总计数影响较大，对符合计数几乎没有影响。由于射线照射管壁材料（Al或Fe）而产生的次级电子引起的脉冲信号是随机信号，在时间上不具有相关性，对符合中子计数率D没有贡献。但是，核材料的裂变中子，在时间上是相关联的，几乎同时（10－13s）发射出来。因此利用专用的中子符合分析电路进行符合测量，能够从根本上消除射线对核材料裂变中子的测量分析影响。

表4 γ源对测量的影响结果

表5 偶然事件的影响

4 结论

中子测量技术是非破坏性分析的重要技术之一，本实验分别用铝板，铁板，铜板和镉板进行研究，快中子与聚乙烯板作用后，产生热中子，镉板对热中子的吸收作用最强；探测器电子学线路是否正常，通常用/calc进行检验，其值在1.0附近，表明电子学线路正常；测定样品腔沿中心的轴向效率响应曲线和中心平面上的径向效率响应曲线，轴向越往上下两端，效率越低，径向不同位置进行测量，计数值没有发生很大变化，所以样品左右位置的摆放，对结果影响不大；在合适的工作电压下，γ源对测量结果几乎无影响，影响测量结果的因素还有仪器的结构等参数，还需进一步讨论。

[1] REILLY D，ENSSLIN N，SMITH JR H，et al. Passive nondestructive assay of nuclear materials[R]. Washington: Nuclear Regulatory Commission，1991.

[2] 蒙延泰，王效忠，祝利群. 中子测量技术在核保障中的应用[J].核电子学与探测技术，2008，28(4)：707-716.

MENG Yantai，WANG Xiaozhong，ZHU Liqun. Application of Neutron Measurement Technology in Nuclear Safeguards[J]. Nuclear Electronics &Detection Technology，2008，28(4)：707-716.

[3] 王效忠，贾向军，刘建刚，等. 采用无源符合中子法测量含钚材料[J].原子能科学技术，1998，32(3)：233-238.

WANG Xiaozhong，JIA Xiangjun，LIU Jiangang，et al. Measurement of plutonium-containing materials by passive coincidence neutron method[J]. Atomic Energy Science and Technology，1998，32(3)：233-238.

[4] 赵德山，陈琦，陈想林. 有源符合中子法探测高浓缩铀的技术研究[J]. 核电子学与探测技术，2004，24(6)：182-184.

ZHAO Deshan，CHEN Qi，CHEN Xianglin. Research on the technology of active coincidence neutron detection of highly enriched uranium[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，2004，24(6)：182-184.

[5] 孙诗奇，胡力元，侯英伟，等. 主动中子多重性铀质量测量模拟研究[J]. 原子核物理评论，2019，36(2)：266-271.

SUN Shiqi，HU Liyuan，HOU Yingwei，et al. Simulation study on active neutron multiplicity uranium mass measurement[J]. Nuclear Physics Review，2019，36(2)：266-271.

[6] Ferrer M M，Peerani P，Looman M R，et al. Design and performances of the scrap neutron multiplicity counter[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2007，574(2)：297-314.

[7] 王中杰，张全虎，刘杰，等. 基于MCNP模拟的中子多重性计数器3He管的设计[J]. 核电子学与探测技术，2010，30(12)：1626-1628.

WANG Zhongjie, ZHANG Quanhu, LIU Jie, et al. Design of3He tube for neutron multiplicity counter based on MCNP simulation[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，2010，30(12)：1 626-1 628.

[8] 陈利高，刘晓波，龚建，等. 中子多重性探测器搭建及参数标定[J]. 清华大学学报，2014，54（2）：159-162.

CHEN Ligao，LIU Xiaobo，GONG Jian，et al. Construction and parameter calibration of neutron multiplicity detector[J]. Journal of Tsinghua University，2014，54(2)：159-162.

Discussion on the factors influencing the measurement results of AWCC

LU Hong，CHU Quanli，LI Duohong，LIU Likun，CHEN Fanglei，ZHOU Zhibo

(State Nuclear Security Technology Center，Beijing 102401，China)

Neutron measurement technology is an important method of non-destructive analysis technology in the field of nuclear material accounting, which can quantitatively analyze uranium, plutonium and other nuclear materials. This paper briefly describes the principle of neutron measurement, builds flat-panel detector and carries out experimental research on some factors affecting AWCC measurement results, which has certain reference significance for better use of this method.

AWCC；neutron measurement；absorption；efficiency

TL271；TL273

A

1672-0636(2021)03-0373-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2021.03.011

2021-01-20；

2021-02-19

陆宏（1979— ），女，山东胶州人，工程师，主要从事核军标研究，大型基建项目管理，核安保国际合作与交流等工作。E-mail：hong_lu@snstc.org

李多宏（1981— ），男，甘肃天水人，高级工程师，主要从事核材料衡算技术研究。E-mail：duohong_li@snstc.org