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《中国科学技术大学》 2017年
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扩展型长中子计数器的设计及开发研究

Mohamed Selemani Mazunga  
【摘要】:长中子计数器具有较好的平坦中子注量能量响应,它作为一个中子计量传递仪表被广泛应用到各个中子辐射场的中子注量率监测。长中子计数器的探头是由慢化体和热中了灵敏的3He或BF3计数器组成,它具有探测效率高,抗T射线能力强和测量长期稳定的特点。现行的长中子计数器在入射中子能量高于5MeV时,探测器的注量能量响应快速下降,主要是由于3He的(n,p)核反应截面或BF3的(n,α)核反应截面随着能量的增加而下降引起的。这样导致长中子计数器不适用于能量大于几个MeV的辐射场的监测。另外一个问题是如果采用的慢化体太大,当重量超过50kg时就不便于携带。本论文针对以上的问题,研究的目的是改善高能中子的能量响应函数,并且考虑长中子计数器具有可携带性。为了改善探测器的响应函数,基于原始的设计,做了几种研究变化,即采用了中子能量补偿技术,解决高能响应不理想的问题,设计了三种类型的长中子计数器。其一是设计了一种拓宽高能中子应用范围的长中子计数器,即拓宽型长中子计数器。该技术是在慢化体衬有Pb和Cr金属材料,基于金属(n,xn)的增值核反应,提高高能中子的响应,对低能中子在热中子计数器前衬有小块圆柱形聚乙烯材料,使中子能量在几个keV到150MeV范围内具有平坦的响应函数,拓宽型长中子计数器可以应用到高能中子源的中子注量测量。其二是设计了一个小型长中子计数器,即在慢化体内插入1.5cm厚的Cr层,探头的慢化体可以缩小到Φ15×35cm,但中子能量范围缩减在几个keV到20MeV内具有平坦的响应函数,这样探测头设计具有可携带性。其三是设计了一个改善型长中子计数器,即在慢化体内插入W材料,中子能量在几个keV到20MeV范围内具有平坦的响应函数。为了掌握探头的角响应,分别计算了入射能量为1keV、1MeV和14MeV角响应影响,结果表明,散射对长中子计数器影响不大。为了验证设计的可行性,基于以上的三种研究成果,以拓宽型长中子计数器为基础,研制了一款称之为FDS-LC的长中子计数器。该计数器采用的是BF3正比计数管,通过实验的测试,结果表明,计算结果与实验结果一致性小于7.8%。FDS-LC将作为标准的计量传递仪表,用于HINEG的注量率或源强监测。本论文的创新性归纳起来如下:(1)在理解长中子计数器的测量原理基础上,对中子注量能量补偿性原理进行了系统性研究,根据高原子序数材料的(n,xn)反应阈值不同,提出了采用多种高原子序数材料组合式探头设计,以适用于不同中子参考辐射场的测量需求。(2)重点研究了以W、Pb和Cr等金属补偿优化方法,实现了高能中子响应的增加,改进了现行长中子计数器的设计,为中子计量传递提供了保证,具有重要的应用推广价值。(3)论文提出的能量补偿技术,根据不同中子辐射场的需求,模拟计算了三种类型的长中子计数器及部分实验测试。结果表明,设计的长中子计数器可以为中子计量传递及溯源提供科学依据。
【关键词】:中子探测器 长中子计数器 蒙特卡罗模拟 SuperMC程序 响应函数 角响应函数 注量 刻度
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O571.5
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-15
  • Chapter 1 Introduction and motivation15-23
  • 1.1 Introduction of neutron measurements15-16
  • 1.2 Statement of the problem16-18
  • 1.3 Motivation of the study18-19
  • 1.4 Objective of this research19
  • 1.4.1 General objective19
  • 1.4.2 Specific objectives19
  • 1.5 Significance of the study19-20
  • 1.6 Outline of this thesis20-23
  • Chapter 2 Long counter detector23-39
  • 2.1 Introduction of detection status23
  • 2.2 Advantages of long counter23-24
  • 2.3 Applications of long counter24-25
  • 2.4 Limitations of long counter25-26
  • 2.5 Geometric part of long counter26-33
  • 2.5.1 Neutron moderator26-30
  • 2.5.2 Neutron absorber30-31
  • 2.5.3 Air holes or annular trough31-32
  • 2.5.4 Cadmium cover32-33
  • 2.5.5 Aluminum outer cover33
  • 2.6 Proportional counter ~3He or BF_333-36
  • 2.6.1 The BF_3 proportional counter34-35
  • 2.6.2 ~3He proportional counter35-36
  • 2.7 Electronic part of long counter36-39
  • Chapter 3 Monte Carlo method39-49
  • 3.1 Introduction of SuperMC code40-41
  • 3.2 Application of SuperMC41
  • 3.3 Main Features of SuperMC code41-44
  • 3.3.1 Automatic Geometrical modeling41-42
  • 3.3.2 Results and process visualization42-43
  • 3.3.3 Cloud computing framework43-44
  • 3.4 Methodology of SuperMC simulation code44-45
  • 3.5 Validation and verification of SuperMC code45
  • 3.6 Scattering treatment in SuperMC45-46
  • 3.7 Nuclear data library46
  • 3.8 Variance reduction techniques46-49
  • Chapter 4 Application of SuperMC on long counter design49-85
  • 4.1 Introduction49-50
  • 4.2 Design of an extended range long counter50-67
  • 4.2.1 Introduction50-51
  • 4.2.2 He counter description51-52
  • 4.2.3 Geometry of initial design52-53
  • 4.2.4 Simulation process53-54
  • 4.2.5 Response function of long counter54-57
  • 4.2.6 Inserting metal target inside inner moderator57-59
  • 4.2.7 Lead and Chromium metal target59-67
  • 4.2.8 Conclusion67
  • 4.3 Design of reduced size long counter67-78
  • 4.3.1 Introduction67-68
  • 4.3.2 Theory of neutron detection using long counter68-69
  • 4.3.3 Materials and Methods69-71
  • 4.3.4 Results and Discussion71-77
  • 4.3.5 Conclusion77-78
  • 4.4 Design of response improved long counter78-85
  • 4.4.1 Introduction78-79
  • 4.4.2 Details of the geometry79-80
  • 4.4.3 Calculation of the response function80-83
  • 4.4.4 Neutron scattering83-84
  • 4.4.5 Conclusion84-85
  • Chapter 5 Development and calibration of FDS-LC85-105
  • 5.1 Introduction85-86
  • 5.2 Material and method86-93
  • 5.2.1 Geometry of FDS-LC86-87
  • 5.2.2 Central thermal detector87-88
  • 5.2.3 Electronics and data acquisition system of FDS-LC88-93
  • 5.3 Experimental arrangements93-95
  • 5.3.1 ~(241)Am-Be and 14 MeV D-T neutron sources93
  • 5.3.2 Irradiation Hall93-94
  • 5.3.3 Correction of scattered neutrons94-95
  • 5.4 Results and Discussion95-102
  • 5.4.1 Validation of the response function of FDS-LC95-96
  • 5.4.2 Validation of the effective center96-99
  • 5.4.3 Calibration of FDS-LC99-101
  • 5.4.4 Measurements of angular response function101-102
  • 5.5 Uncertainty analysis102-103
  • 5.6 Conclusion103-105
  • Chapter 6 Conclusion and Recommendations105-111
  • 6.1 Conclusion105-109
  • 6.2 Recommendations109-111
  • References111-115
  • Acknowledgement115-117
  • List of Publications117

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