D-T中子源的反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡模擬研究

胡繼峰 杜洪新 姚澤恩, 金孫均 梁 一

1（蘭州大學(xué)教育部中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）2（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

D-T中子源的反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡模擬研究

胡繼峰1杜洪新2姚澤恩1,2金孫均2梁 一2

1（蘭州大學(xué)教育部中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）
2（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

為了設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)D-T中子產(chǎn)額的反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，采用MCNP程序模擬了14 MeV中子在不同厚度的聚乙烯膜上產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的產(chǎn)額、能譜及角分布，通過(guò)對(duì)反沖質(zhì)子的產(chǎn)額、能譜和角分布數(shù)據(jù)的分析，給出了用于D-T中子產(chǎn)額監(jiān)測(cè)的反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的聚乙烯膜最佳厚度和探測(cè)器放置位置。建立了D-T中子源模型，模擬設(shè)計(jì)了反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的探測(cè)效率。

D-T中子發(fā)生器，聚乙烯膜，反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡，MCNP

利用 T(d,n)4He反應(yīng)的加速器中子源應(yīng)用于核數(shù)據(jù)測(cè)量、聚變堆材料輻射損傷研究、半導(dǎo)體抗輻射加固、輻射育種、活化分析等領(lǐng)域[1]，而中子產(chǎn)額監(jiān)測(cè)，則是此類中子源開展研究工作的基礎(chǔ)。

通常用伴隨粒子法、裂變電離室法、反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡法等監(jiān)測(cè)D-T反應(yīng)的快中子產(chǎn)額。由于裂變材料成分的不確定性，裂變室法須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行刻度[2]；由D-T反應(yīng)伴生α粒子測(cè)量中子產(chǎn)額[3–5]，屬于絕對(duì)測(cè)量，測(cè)量精度高，但對(duì)使用大面積旋轉(zhuǎn)靶的強(qiáng)流D-T中子發(fā)生器，伴隨粒子法有諸多技術(shù)困難；反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡法也是精度的絕對(duì)測(cè)量方法，由中子在聚乙烯膜(PE)中產(chǎn)生的反沖質(zhì)子得到 D-T中子產(chǎn)額，其獨(dú)立于加速器，特別適用于大面積旋轉(zhuǎn)靶的強(qiáng)流D-T中子發(fā)生器的產(chǎn)額監(jiān)測(cè)。

蘭州大學(xué)強(qiáng)流D-T中子發(fā)生器采用旋轉(zhuǎn)靶，產(chǎn)額達(dá)1012n/s[6]，用反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測(cè)中子產(chǎn)額。D-T中子束在PE膜中的反沖質(zhì)子的產(chǎn)額、能譜、角分布等與 PE膜厚的關(guān)系，是設(shè)計(jì)反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡及確定其探測(cè)效率的重要依據(jù)。本工作用MCNP軟件[7]模擬14 MeV中子穿過(guò)不同厚度的PE膜時(shí)反沖質(zhì)子產(chǎn)額、角分布和能譜，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，確定反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器系統(tǒng)的 PE膜厚度、質(zhì)子探測(cè)器的最佳位置等重要參數(shù)；根據(jù)厚靶D-T中子發(fā)生器的中子能譜和角分布數(shù)據(jù)，建立了用于MCNP模擬的 D-T中子源中子能量和出射方向的抽樣模型；由此模型，用MCNP模擬設(shè)計(jì)了反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，并給出了反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的探測(cè)效率。

1 PE膜的反沖質(zhì)子產(chǎn)額、角分布和能譜

1.1 方法及材料

用反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測(cè)D-T中子的原理如圖1所示。經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直的D-T中子束轟擊在一定厚度的PE膜上，PE膜后的適當(dāng)位置放置探測(cè)器以記錄反沖質(zhì)子，通過(guò)反沖質(zhì)子計(jì)數(shù)給出D-T中子源的產(chǎn)額。

圖1 反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡法測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the recoiled proton telescope.

反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)首先要求探測(cè)器有足夠高的探測(cè)效率，以降低測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)誤差。誠(chéng)然，在一定厚度范圍內(nèi)，PE膜越厚，反沖質(zhì)子產(chǎn)額越高；但膜過(guò)厚會(huì)加大反沖質(zhì)子穿在膜中的能量損失及散射，導(dǎo)致質(zhì)子能譜向低能區(qū)展寬。為剔除其它粒子干擾，提高測(cè)量精度，反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡通常用?E–E雙探測(cè)器和符合技術(shù)記錄反沖質(zhì)子，能量較低的質(zhì)子無(wú)法穿越?E探測(cè)器而不能被符合記錄，能被紀(jì)錄的質(zhì)子能量下限可由?E探測(cè)器的厚度確定。根據(jù)現(xiàn)有?E探測(cè)器的厚度(~50 μm)，將能被紀(jì)錄的質(zhì)子能量下限設(shè)置為3 MeV。PE膜的最佳厚度及探測(cè)器的最佳安裝位置，由反沖質(zhì)子的產(chǎn)額、能譜、角分布與PE膜厚度等的綜合考慮來(lái)確定。

D-T反應(yīng)產(chǎn)生的中子能量分布在14 MeV附近，為簡(jiǎn)便起見，本研究采用MCNP程序模擬14 MeV單能中子束在PE膜產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的產(chǎn)額、能譜、角分布，并確定最佳 PE厚度及探測(cè)器位置。模擬模型為：截面直徑為2 μm的14 MeV單能中子束垂直入射到PE膜(厚度可調(diào))上，以PE膜的中子入射點(diǎn)為圓心，半徑為15 cm的四分之一圓弧上，每隔5o設(shè)置一個(gè)半徑為0.1 cm的球形探測(cè)器記錄反沖質(zhì)子能譜、產(chǎn)額、Ep≥3 MeV的反沖質(zhì)子產(chǎn)額。

1.2 模擬結(jié)果

對(duì)厚度為0.1–0.2 mm的PE膜，該球形探測(cè)器模擬記錄的反沖質(zhì)子的單位入射中子產(chǎn)額如圖2所示，圖 2(a)為總?cè)礇_質(zhì)子的角分布，圖 2(b)為Ep≥3 MeV的反沖質(zhì)子角分布。

在0o和45o方向上，不同PE膜厚度下出射的反沖質(zhì)子相對(duì)產(chǎn)額,及能量大于3 MeV的反沖質(zhì)子相對(duì)產(chǎn)額，結(jié)果如圖3所示。在一些典型的PE膜厚度下，這兩個(gè)特殊方向的反沖質(zhì)子能譜見圖4。

圖2 不同PE膜厚度下的總反沖質(zhì)子角分布(a)和能量大于3 MeV反沖質(zhì)子的角分布(b)Fig.2 Angular distribution of recoiled protons for PE films of different thicknesses. (a) Total protons, (b) Proton of Ep≥3 MeV

圖3 0°和45°方向質(zhì)子產(chǎn)額隨PE膜厚度的變化Fig.3 Yields of recoiled protons in 0° and 45° direction as a function of PE film thickness.

1.3 最佳條件確定

由圖2、圖3(a)、圖4(a)，0o方向的反沖質(zhì)子產(chǎn)額高、能量高。盡管如此，0o方向不可設(shè)置探測(cè)器—在準(zhǔn)直快中子束的直接照射下，探測(cè)器會(huì)明顯損傷；同時(shí)，14 MeV快中子與探測(cè)器材料發(fā)生核反應(yīng)，將產(chǎn)生能量較高的質(zhì)子、α，會(huì)造成難于剔出的干擾信號(hào)，降低測(cè)量精度。

由圖2，對(duì)于總反沖質(zhì)子和Ep≥3 MeV反沖質(zhì)子，不同厚度 PE膜的反沖質(zhì)子角分布變化規(guī)律一致，即隨出射角增大，反沖質(zhì)子產(chǎn)額呈下降趨勢(shì)，50o–60o的產(chǎn)額下降最快，60o以上的出射角，反沖質(zhì)子的產(chǎn)額很低。為保證反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)有較高的探測(cè)效率，又盡可能降低中子對(duì)探測(cè)器的損傷及中子與探測(cè)器作用帶來(lái)的干擾，探測(cè)器安放位置選擇在45o方向較為合適。

圖4 厚0.1、0.2、0.3、0.4與0.5 mm的PE膜的反沖質(zhì)子能譜, (a) 0°方向, (b) 45o方向Fig.4 Energy spectra of recoiled protons from 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 mm PE films in (a) 0° and (b) 45o direction.

由45o方向反沖質(zhì)子產(chǎn)額(圖3b)隨PE膜厚度變化的M-C模擬結(jié)果，PE膜厚度在小于0.4 mm的范圍內(nèi)，隨著 PE膜厚度的增加，反沖質(zhì)子產(chǎn)額成上升趨勢(shì)，但當(dāng)PE膜厚度大于0.4 mm時(shí)，反沖質(zhì)子產(chǎn)額不再明顯增長(zhǎng)?？梢奝E膜太厚時(shí)，PE膜中產(chǎn)生的反沖質(zhì)子，有一部分已無(wú)法穿出 PE膜到達(dá)探測(cè)器。因此，選擇的PE膜厚度應(yīng)該≤0.4 mm。

2 反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的M-C模擬設(shè)計(jì)

2.1 厚氚鈦靶D-T反應(yīng)中子源模型

在早先的模擬研究中，通常將D-T反應(yīng)中子源近似看成各向同性14 MeV單能中子源，事實(shí)上D-T反應(yīng)中子具有一定的角分布，且由于這種中子發(fā)生器通常使用厚氚鈦靶，中子能量并不是完全的 14 MeV 單能中子。為建立更為精確的描述D-T反應(yīng)中子源的特性，我們實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了厚氚鈦靶D-T反應(yīng)中子的能譜和角分布的數(shù)值計(jì)算方法，并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬程序 dTTdyE。該強(qiáng)流中子發(fā)生器通常運(yùn)行在氘束能量為260 keV，因此，選擇此條件下的能譜、角分布數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建中子源模型。

圖5為用dTTdyE程序計(jì)算得到的260 keV氘束的D-T反應(yīng)中子能譜和角分布。將圖5(a)所示能譜數(shù)據(jù)輸入到 MCNP程序，以控制中子能量的抽樣；將圖5(b)所示角分布轉(zhuǎn)換成中子角產(chǎn)額數(shù)據(jù)，輸入到MCNP程序，以控制中子出射角的抽樣。同時(shí)，根據(jù)該中子發(fā)生氘束流在靶上束斑大小，將D-T中子源設(shè)置成Φ2 cm的面源。其中，中子角分布可由式(1)轉(zhuǎn)換成角產(chǎn)額數(shù)據(jù)，

其中，dY/dθ為中子角產(chǎn)額，θ為中子出射角，dY/d?為中子角分布。

圖5 氚鈦厚靶260 keV氘束流下D-T反應(yīng)的中子能譜和角分布Fig.5 Energy spectra (a) and angular distribution (b) of neutrons from TiT1.5 thick target bombarded with 260 keV deuterons.

2.2 反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡的模擬設(shè)計(jì)及其探測(cè)效率

根據(jù)§1.3中得到的最佳條件，用§2.1建立的D-T中子源模擬型，應(yīng)用MCNP模擬設(shè)計(jì)了用于該旋轉(zhuǎn)靶強(qiáng)流中子發(fā)生器中子產(chǎn)額監(jiān)測(cè)的 45o望遠(yuǎn)鏡探測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該系統(tǒng)由中子屏蔽準(zhǔn)直器、質(zhì)子產(chǎn)生和探測(cè)靶室組成。中子屏蔽準(zhǔn)直器是由 Fe、PE、Pb等材料組成的圓錐體，總長(zhǎng)度為60 cm，準(zhǔn)直孔直徑為3 cm，準(zhǔn)直孔入口距氘束在氚鈦靶上的靶點(diǎn)距離為30 cm，準(zhǔn)直孔軸線與氘束流軸線的夾角為45o。質(zhì)子產(chǎn)生和探測(cè)靶室由PE膜、質(zhì)子探測(cè)器、鋁制靶室組成，PE膜厚度為32.512 mg/cm2，直徑為1.4 cm，探測(cè)器直徑為1.98 cm，與PE膜相距5.29 cm，PE膜和探測(cè)器均與準(zhǔn)直中子束成45o方向安裝。

模擬結(jié)果顯示，在探測(cè)器位置，屏蔽準(zhǔn)直器快中子(能量大于1 MeV)透射率小于1%，滿足對(duì)探測(cè)器的屏蔽要求。模擬得到的 PE膜前面的準(zhǔn)直中子束能譜和探測(cè)器位置的反沖質(zhì)子能譜見圖7。

設(shè)Yn為D-T中子發(fā)生器中子產(chǎn)額，Np為探測(cè)器中記錄的反沖質(zhì)子計(jì)數(shù)率，則望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)探測(cè)效率為ε=Np/Yn。通過(guò)MCNP模擬，記錄了單位D-T源中子在探測(cè)器位置能量大于 3 MeV的反沖質(zhì)子計(jì)數(shù)，由此得到符合設(shè)計(jì)的反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡探測(cè)效率為 5.12×10–10。

圖6 反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Design of the recoiled proton telescope.

圖7 準(zhǔn)直中子束能譜(a)和探測(cè)器位置的反沖質(zhì)子能譜(b)Fig.7 Energy spectra of the collimated neutron beam (a) and the recoiled protons at the detector (b).

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)14 MeV單能中子在PE膜上產(chǎn)生的反沖質(zhì)子產(chǎn)額和角分布的模擬，得到了反沖質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)PE膜厚度、探測(cè)器安放位置等最佳參數(shù)。

(2) 構(gòu)建了較為精確的D-T中子源模型，在此基礎(chǔ)上模擬設(shè)計(jì)了用于蘭州大學(xué)旋轉(zhuǎn)靶強(qiáng)流D-T中子發(fā)生器中子產(chǎn)額監(jiān)測(cè)的 45o望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，給出的探測(cè)器系統(tǒng)效率為5.12×10–10，滿足1012n/s強(qiáng)流中子發(fā)生器產(chǎn)額監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)數(shù)率要求。由圖12，探測(cè)器位置大部分反沖質(zhì)子能量大于3 MeV，滿足?E–E探測(cè)器對(duì)質(zhì)子能量的基本要求。

1 蘇桐齡. 核技術(shù), 1989, 12(8–9): 553–556 SU Tongling. Nucl Tech, 1989, 12(8–9): 553–556

2 劉榮, 林理彬, 王大倫, 等. 核技術(shù), 2000, 23(12):851–855 LIU Rong, LIN Libin, WANG Dalun,et al. Nucl Tech,2000, 23(12): 851–855

3 蔣勵(lì), 胡俊, 文德智, 等. 中國(guó)核科技報(bào)告, 2005, 12:62–71 JIANG Li, HU Jun, WEN Dezhi,et al. China Nucl Sci and Tech Report, 2005, 12: 62–71

4 劉榮, 林理彬, 王大倫, 等. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),1999, 19(6): 428–433 LIU Rong, LIN Libin, WANG Dalun,et al. Nucl Electron Detect Technol, 1999, 19(6): 428–433

5 仲啟平, 陳雄軍, 盧涵林, 等. 原子能科學(xué)技術(shù), 2005,39(2): 130–133 ZHONG Qiping, CHEN Xiongjun, LU Hanlin,et al. At Energy Sci Technol, 2005, 39(2): 130–133

6 SU Tongling, SUN Biehe, YANG Baotai,et al. Nucl Instr Meth, 1990, A287: 452–454

7 Los Alamos National Laboratory. MCNP—Monte CarloN-Particle Transport Code System[R]. Los Alamos, New Mexico: Los Alamos National Laboratory, 2005

CLCR144.1

Simulations of recoiled protons for designing a telescope system to monitor neutron yield of a D-T neutron generator

HU Jifeng1DU Hongxin2YAO Ze?en1,2JIN Sunjun2LIANG Yi2
1(Engineering Research Center for Neutron Application, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)
2(School of Nuclear Sciences and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

To design a recoiled proton telescope for monitoring a D-T neutron generator, the MCNP code was used to simulate the yield, energy spectra and angular distribution of recoiled protons in the polyethylene film bombarded by 14 MeV neutrons. The simulated data were analyzed. The optimum position of detector and thickness of the polyethylene film for the recoiled proton telescope system were presented. A model on the D-T neutron source was developed. The recoiled proton telescope system for monitoring the neutron yield of D-T neutron generator was designed by MCNP simulation. The monitoring efficiencies were presented.

D-T neutron generator, Polyethylene film, Recoiled proton telescope, MCNP code

R144.1

“985工程”項(xiàng)目資助

胡繼峰，男，1984年出生，蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核技術(shù)專業(yè)碩士研究生

姚澤恩

2009-10-26，

2009-12-08