中子能谱快速测量

雷明(海军装备部，山西 太原，030000)

冯晓波，安艳龙，刘建忠(中国辐射防护研究院，山西 太原，030006)

0 引言

中子剂量的监测面临着许多困难，主要是由于测量现场的中子能量范围较宽，并伴随光子。中子注量-剂量转换系数随能量变化差异较大，最大可差2个数量级[1]。传统的中子剂量率仪对快中子及高能中子响应较低，剂量能量响应曲线不理想；通过中子能谱测量，再经注量-剂量转换可以相对准确地测量中子剂量。

利用多球谱仪测量中子能谱是目前成熟度最高的中子能谱方法。但是，由于多球谱仪测量时需要将每个慢化球依次搬运到测试点进行测试，过程繁琐，在实时变化的辐射场难以取得较好的测量效果。本文以中子能谱快速测量技术为核心设计了一款一体化的多球谱仪，在Am-Be参考辐射场进行了测试，可以实现中子能谱快速测量。

1 多球谱仪测量中子能谱原理

中子能谱测量原理可用以下方程来描述：

(1)

慢化球的个数最多不超过20，而求得中子注量谱往往需要几十至几百个，在确定中子注量谱分布的解谱过程中，实际上是从无穷多个解求最优的过程[3]。普通的解方程方法无法求解，需要增加约束条件，如中子谱在测量范围之内是连续光滑且非负的，某些能量段中子谱可用数学函数表示等，使解谱结果无限逼近真实值。

2 中子能谱快速测量技术

为了实现中子能谱的快速获取，本文采用7路通道同时工作的方式进行测量，每路通道由3He正比计数器及慢化球组成，1～7号慢化球交叉分布于仪器中心轴两侧，距中心轴距离分别为11.5、13.25、14.5、13.5、15、17、16 cm，所有慢化球球心位于同一平面，如图1所示。

图1 慢化球分布图

仪器主要在均匀辐射场使用，使用时尽可能使测试点中子入射方向与慢化球球心所在平面垂直。使用此技术，极大地缩短了中子能谱的测量时间(假设普通多球谱仪使用11个慢化球，则一体化多球谱仪测量时间仅为普通多球谱仪的1/11)，大大降低了工作人员的受照风险。

3 能量响应曲线模拟

为保证一体化多球谱仪在热中子～20 MeV范围有较好的能量响应，按照图2所示的照射方式，用蒙卡模拟不同直径慢化球的能响曲线。经过模拟，确定慢化球尺寸列于表1。

图2 慢化球模拟计算模型

表1 慢化体尺寸及材质

由于聚乙烯慢化体对中子有散射和慢化作用，每个慢化球的计数会受到其他慢化球的影响[4]。单独模拟每个球的响应曲线存在较大误差，因此需要以7个慢化球为整体建立模型，模拟平行中子束对仪器照射时每个慢化球的能量响应曲线。平行中子束入射方向与7个慢化球球心平面垂直，模拟结果见图3。

图3 一体化多球谱仪的能量响应曲线

4 解谱软件设计

为实现中子能谱的在线解谱，本文设计了一款解谱软件。解谱软件有测量及解谱两种模式，测量模式下测量区域可同时显示7路通道测得的计数率值，测量完成后切换解谱模式，根据辐射场信息选择预置谱、解谱算法及迭代次数，解谱即可显示测量谱形及周围剂量当量率等信息。

5 实验及结果分析

为了验证一体化多球谱仪性能，在Am-Be中子参考辐射场进行测试。将解谱能谱与Am-Be典型能谱进行对比，并对比解谱后剂量率计算值与测试点约定真值。

将本系统放入中国辐射防护研究院Am-Be参考辐射场进行测试，在辐射场中选取3个测试点，每个测试点分别在有影锥和无影锥2种条件测试(经计算，在3个测试点处，直接入射的中子均可以被影锥遮挡)，将解谱谱形与Am-Be中子谱典型谱形对比，结果如图4所示。

由图4可知，解谱的谱形与Am-Be典型能谱基本吻合。根据解谱结果，计算得到的周围剂量当量率与测试点约定真值进行比较，计算相对偏差，结果见表2。

图4 解谱谱形与Am-Be典型能谱对比

表2 一体化多球谱仪Am-Be参考辐射场测试结果

6 结论

本文研究了一种快速测量中子能谱的技术，并以此技术为核心研制了一款一体化多球谱仪，可以7路通道同时进行测量，实现中子能谱的在线解谱，使用该技术极大地缩短了中子能谱的测量时间，减少了工作人员的受照风险。使用一体化多球谱仪在Am-Be参考辐射场进行实验验证，仪器测量谱形与Am-Be典型能谱符合较好，测试点相对偏差小于±7%，可以满足中子能谱现场测量的要求。