水慢化体单球中子谱仪研制

作     者：祁培文 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周荣

授予年度：2021年

学科分类：082704[工学-辐射防护及环境保护] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：多球中子谱仪 单球中子谱仪 水慢化体 中子解谱 

摘      要：随着中子在各个行业的深入应用,辐射场的中子辐照水平监测越来越被人们所关注,目前常用的中子辐射场能谱及剂量监测仪器为多球中子谱仪。传统多球中子谱仪要求多个探测器同时进行热中子计数测量,需要较大的测量空间才能降低中子在各个聚乙烯球体之间的散射对测量结果的影响,多个探测器标定不一致及中子场空间分布不均匀时会对测量结果产生影响。为了克服上述传统多球中子谱仪缺点,国外研制了以一个聚乙烯球为中子慢化体,在球体不同位置放置热中子探测器的固体单球中子谱仪,该类谱仪大多具有较好的各向同性和便携性,但谱仪采用无源热中子探测器,需要对数据进行离线获取和处理;国内研制了以嵌套的不锈钢球壳为注水夹层的单球中子谱仪,在球中心放置有源热中子探测器,通过向注水夹层中充放水来改变慢化水层厚度,该谱仪能够对数据进行在线实时分析,但谱仪结构设计不够合理,重复厚度的水层数目较多、加工误差较大。 本文基于传统多球中子谱仪的测量原理及上述单球中子谱仪优缺点,研制了新的以水为慢化体的单球中子谱仪。该谱仪由四个厚度为两毫米、直径分别为51mm(外)、133mm(外)、300mm(内)、350mm(内)的不锈钢球壳组成,球壳彼此嵌套形成三种厚度的注水夹层,通过向夹层中充放水可组合形成0mm、23mm、39mm、62mm、83.5m、106.5mm、122.5mm、145.5mm总共八种厚度的水慢化体,球中心放置一个热中子灵敏探测器;使用GEANT4蒙卡程序模拟了上述8种情况下热中子探测器的响应矩阵;设计了充放水模块,通过方形水池及双向蠕动泵实现注水夹层的充放水工作,同时设计了最佳的充放水顺序,使得单次测量水泵的工作时长最短;设计了高集成、低功耗、长续航的信号采集及数据处理电路,以TI生产的车规级安全芯片TMS570LS1224为核心,在提高系统的稳定性及抗干扰、耐辐照能力的同时,通过片上ADC、DMA及RAM进行信号采集和实时缓存,当有脉冲信号输入时,CPU开始处理缓存区的数据,并将测量结果存储在芯片内部的FLASH及EEPROM上;谱仪使用两块锂电池为电路及水泵供电,通过外接RTC及电源管理电路实现低功耗模式,延长谱仪的续航时长;同时,编写了一套适用于单球中子谱仪的解谱程序,程序以GRAVEL迭代算法为核心,设计了新的迭代停止条件及初始谱选择程序,并建立了初始谱库,使得程序能自动进行初始谱选取及解谱操作。 本文对上述单球中子谱仪的多项性能参数进行测试。测试结果表明该谱仪能够在高温环境下正常稳定工作;谱仪具有较长的待机时间,能够在满功率工作状态下运行56小时。谱仪在恒定的中子辐射场进行长时间测试时,各水层对应的探测器计数偏差较小,因此谱仪探测器的输出信号幅值及其噪声水平恒定,谱仪能够进行长时间中子辐射场能谱及剂量监测;最后在距离Am-Be中子源不同位置处使用单球中子谱仪及中子剂量仪测量了对应点的中子能谱及中子剂量,二者剂量测量误差在4%以内。 本文基于传统多球中子谱仪测谱原理,设计了以水为慢化体的单球中子谱仪,同时设计了与之配套的充放水单元、信号采集及数据处理电路、中子能谱解谱程序,极大的提高了中子谱仪的便携性,同时消除了多探测器标定不一致及中子场空间分布不均匀对测量结果产生的影响,减小了谱仪所需的测量空间。经过中子场测试,中子能谱及剂量测量结果可靠,该谱仪能够进行中子辐射场中子能谱及剂量监测。