中子能譜快速測量

雷明(海軍裝備部，山西 太原，030000)

馮曉波，安艷龍，劉建忠(中國輻射防護研究院，山西 太原，030006)

0 引言

中子劑量的監測面臨著許多困難，主要是由于測量現場的中子能量范圍較寬，并伴隨光子。中子注量-劑量轉換系數隨能量變化差異較大，最大可差2個數量級[1]。傳統的中子劑量率儀對快中子及高能中子響應較低，劑量能量響應曲線不理想；通過中子能譜測量，再經注量-劑量轉換可以相對準確地測量中子劑量。

利用多球譜儀測量中子能譜是目前成熟度最高的中子能譜方法。但是，由于多球譜儀測量時需要將每個慢化球依次搬運到測試點進行測試，過程繁瑣，在實時變化的輻射場難以取得較好的測量效果。本文以中子能譜快速測量技術為核心設計了一款一體化的多球譜儀，在Am-Be參考輻射場進行了測試，可以實現中子能譜快速測量。

1 多球譜儀測量中子能譜原理

中子能譜測量原理可用以下方程來描述：

(1)

慢化球的個數最多不超過20，而求得中子注量譜往往需要幾十至幾百個，在確定中子注量譜分布的解譜過程中，實際上是從無窮多個解求最優的過程[3]。普通的解方程方法無法求解，需要增加約束條件，如中子譜在測量范圍之內是連續光滑且非負的，某些能量段中子譜可用數學函數表示等，使解譜結果無限逼近真實值。

2 中子能譜快速測量技術

為了實現中子能譜的快速獲取，本文采用7路通道同時工作的方式進行測量，每路通道由3He正比計數器及慢化球組成，1～7號慢化球交叉分布于儀器中心軸兩側，距中心軸距離分別為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，如圖1所示。

圖1 慢化球分布圖

儀器主要在均勻輻射場使用，使用時盡可能使測試點中子入射方向與慢化球球心所在平面垂直。使用此技術，極大地縮短了中子能譜的測量時間(假設普通多球譜儀使用11個慢化球，則一體化多球譜儀測量時間僅為普通多球譜儀的1/11)，大大降低了工作人員的受照風險。

3 能量響應曲線模擬

為保證一體化多球譜儀在熱中子～20 MeV范圍有較好的能量響應，按照圖2所示的照射方式，用蒙卡模擬不同直徑慢化球的能響曲線。經過模擬，確定慢化球尺寸列于表1。

圖2 慢化球模擬計算模型

表1 慢化體尺寸及材質

由于聚乙烯慢化體對中子有散射和慢化作用，每個慢化球的計數會受到其他慢化球的影響[4]。單獨模擬每個球的響應曲線存在較大誤差，因此需要以7個慢化球為整體建立模型，模擬平行中子束對儀器照射時每個慢化球的能量響應曲線。平行中子束入射方向與7個慢化球球心平面垂直，模擬結果見圖3。

圖3 一體化多球譜儀的能量響應曲線

4 解譜軟件設計

為實現中子能譜的在線解譜，本文設計了一款解譜軟件。解譜軟件有測量及解譜兩種模式，測量模式下測量區域可同時顯示7路通道測得的計數率值，測量完成后切換解譜模式，根據輻射場信息選擇預置譜、解譜算法及迭代次數，解譜即可顯示測量譜形及周圍劑量當量率等信息。

5 實驗及結果分析

為了驗證一體化多球譜儀性能，在Am-Be中子參考輻射場進行測試。將解譜能譜與Am-Be典型能譜進行對比，并對比解譜后劑量率計算值與測試點約定真值。

將本系統放入中國輻射防護研究院Am-Be參考輻射場進行測試，在輻射場中選取3個測試點，每個測試點分別在有影錐和無影錐2種條件測試(經計算，在3個測試點處，直接入射的中子均可以被影錐遮擋)，將解譜譜形與Am-Be中子譜典型譜形對比，結果如圖4所示。

由圖4可知，解譜的譜形與Am-Be典型能譜基本吻合。根據解譜結果，計算得到的周圍劑量當量率與測試點約定真值進行比較，計算相對偏差，結果見表2。

圖4 解譜譜形與Am-Be典型能譜對比

表2 一體化多球譜儀Am-Be參考輻射場測試結果

6 結論

本文研究了一種快速測量中子能譜的技術，并以此技術為核心研制了一款一體化多球譜儀，可以7路通道同時進行測量，實現中子能譜的在線解譜，使用該技術極大地縮短了中子能譜的測量時間，減少了工作人員的受照風險。使用一體化多球譜儀在Am-Be參考輻射場進行實驗驗證，儀器測量譜形與Am-Be典型能譜符合較好，測試點相對偏差小于±7%，可以滿足中子能譜現場測量的要求。