用于神光Ⅲ燃料面密度诊断的下散射中子探测系统设计-论文

第27卷第7期 2015年7月

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

强激光与粒子束

Vol.27,No.7

,Jul.2015

用于神光Ⅲ燃料面密度诊断的下散射中子

探测系统设计

*

()中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川绵阳621900

黄展常, 杨建伦

分别设计了电流型探测器系统和成像型探测器系 摘 要: 根据辐射屏蔽后5.5m测点处的辐射场情况,

212

/、统。通过G在面密度达到1初级中子产额为1时,电流型探测器系统满eant4数值模拟分析可得:0mcm0g11/足测量的信噪比,信噪比达到4在面密度达到1初级中子产额为1时,成像型探测器系统满0∶1;0mcm2、0g12

足测量的信噪比,信噪比好于1面密度增大时,信噪比有所改善;但是当初级中子产额达到1时,出现0∶1;0

中子信号重叠现象,可通过缩短曝光时间或者减小塑料闪烁体厚度来降低中子重叠率。 关键词: 下散射中子; DD中子; Geant4; 下散射中子探测器

:/ 中图分类号: TL817 文献标志码: A doi10.11884HPLPB201527.074001

是惯性约束聚变实验中的重要参数,其主要诊断方法有中子活化法、反冲核法、次级和初 燃料面密度(R)ρ

级产额比法、下散射法等。由于下散射法对中高面密度诊断的适用范围更广,因此设计采用下散射法诊断燃料面密度的探测系统很重要。下散射法是测量初级中子与燃料核发生弹性散射后产生的散射中子,并通过该散

1]

。目前,射中子数目与初级中子产额的比值和燃料面密度之间的线性关系得到燃料面密度[采用下散射法诊8

反应截面较大,有一个共振峰,例如中子能量为0.因此含L3MeV时反应截面为1.4×10-2m2,i探测器常被3]

。如OME用于纯氘靶下散射中子测量[放置在离靶心6m处GA采用含Li的LG-SCIFI成像型闪烁探测器,4]

。G测量下散射中子[放置在离靶心0.EKKOXII采用含Li的APLF80+3Pr成像型闪烁探测器,36m处测[]5]

。由于国内尚未研发出发光衰减时间短、量下散射中子[杂质少的L因此选用塑料闪烁体进i玻璃闪烁体6,]8

。量下散射中子的输出[

]7

,行探测器设计。结合神光Ⅲ主机靶场条件[采用Geant4模拟分析电流型探测器系统和成像型探测器系统测]2

。由于L,)断纯氘靶丸燃料面密度的探测系统主要为成像型探测系统[i与0.27~0.6MeV能段的中子(nα

1

辐射场概况

根 在采用飞行时间法测量纯氘靶的下散射中子时,

据神光Ⅲ主机靶场的实际条件,为了使测量能段的散射中子与初级中子在飞行时间上尽可能分开,同时避开墙面反射回来的中子,经过前期模拟计算工作已经初步确立了选择离靶心5.5m处作为测量点。根据5.5m处的辐射场情况,前期工作中进行了辐射屏蔽设计。经过

/测量点处的辐射场如图1所示。由蒙特卡罗mcm2时,g

方法计算得到5.5m测点处0.27~0.6MeV能段的归一化中子平均注量和0.6~3MeV能段的归一化中子平均注量,如表1所示。

辐射屏蔽设计后,对于纯氘靶,当燃料面密度为10

Fi.1 Radiationlevelindetectionpositiong

图1 测量点处辐射场水平

/得到面密度的值,式中面密度单位为g 下散射法诊断燃料面密度主要根据式(1)cm2,Yn是初级中子产额。

n(0.27~0.6MeV)

R6.0≈×ρn(2.3~2.7MeV)

()1

*收稿日期:2015-02-04; 修订日期:2015-04-13

)基金项目:中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(2013B0102008

—),,,;作者简介:黄展常(男硕士研究生从事惯性约束聚变诊断研究1989huanzhanchan@http://doc.guandang.net。gg

074001-1

强激光与粒子束

表1 不同面密度时测点处的归一化中子平均注量

Table1 Normalizedmeanneutronfluxindetectionpositionfordifferentarealdensity

/(·cRmmgρ

1010050

-2

)

0.27~0.6MeV

4.24×10-1

/neutronfluxcm-2

0.6~3.0MeV2.55×10-72.53×10-72.50×10-7

2.05×10-93.93×10-9

如图1竖直区间所示。该能段中子飞行5. 实验测量对象为0.27~0.6MeV的散射中子,5m所需的时间

[]

为5经过辐射屏蔽后,待测的散射中子信号比本底高1满足辐射屏蔽设12~765ns9。由图1可得,00倍左右,计要求。由表1可得,面密度增大时,下散射中子注量增大。为了测量该能段的散射中子,分别设计了两套探测器系统:电流型探测器系统和成像型探测器系统。

2 电流型探测器系统模拟计算

、门控微通道板光电倍增管(示波器组成。中子与塑料闪烁 电流型探测器主要由塑料闪烁体、MCP-PMT)体作用后产生荧光输出。门控MC倍增后产P-PMT在测量时间段开门并对收集的闪烁体荧光进行光电转换、生脉冲输出电流。输出电流耦合到示波器上进行记录。该电流值反映了大量入射中子的平均效应。通过电流积分电荷值大小推导出作用中子的数目。

根据辐射场水平、闪烁体特性等参数,采用G 为了研究电流型探测系统的适用性,eant4对该电流型探测系

、统的输出响应进行模拟计算。本次计算采用的闪烁体尺寸为 型号为B碳核40mm×20mm,C400。质子、α10]

。塑料动能转换成荧光时,沉积能量与荧光光子数目间的关系曲线(即荧光能响曲线)由厂商网站查询而得[)间谱分布。2根据中子辐射场时间谱分布抽取源中子的时间t跟踪该源中子与塑料闪3)0及相应的能量E。、))烁体作用后质子、碳核沉积的能量。4根据荧光能响曲线得到该次事件产生的荧光数N0。5对产生的每个α

闪烁体的荧光收集效率为10%。其发光衰减时间分布由时间符合单光子计数法实验测得y=0.98×exp

(/)(/)。模拟计算流程如下:根据面密度和中子产额初始化测点处中子辐射场时-t1.6+0.02×ex-t301)p

得到该光子的相对发出时刻为t并把t记入荧光时间分布统计谱。t1,0+1作为该光子在时间谱中出现的时间,)判断是否完成N0个荧光光子抽样。若未完成,)。7)则重复步骤5判断是否足额完成中子样本抽样。若未6

))。8)完成,则重复步骤2完成中子样本抽样后,得到在某面密度和中子产额下,光电倍增管输入窗收集到~6的荧光时间分布谱

。

计算得到燃 根据图1的时间谱分布和表1的数据,12

/料面密度为1初级中子产额为1时,光电倍0mcm2、0g增管输入窗收集到的荧光时间分布,如图2所示。信号本底是指0.6~3MeV能段的中子产生的荧光光子信号。选择该面密度进行模拟计算,主要从系统设计的最优指标方面进行考虑,从而得到实现信号可测的最低要求。

在测量时间段内(图2两竖直虚线之 由图2可知,

,间)0.6~3MeV中子在该时间段产生的荧光比0.27~

Fi.2 PhotontimesectrumcollectedbgpyPMT

荧光光子根据收集效率随机抽样判断是否被收集。若被收集,则根据塑料闪烁体发光衰减时间分布进行抽样,

是指0.27~0.6MeV能段的中子产生的荧光光子信号。

前者约为后者的2.0.6MeV产生的荧光低得多,5%。信噪比可达40∶1。信噪比满足测量要求。

图2 光电倍增管输入窗收集到的荧光光子时间谱

12

初级中子产额为1时,其模拟结果如图3所示。此处的归一化是指对谱的积分面积进行归一化。cm2、0

光电倍增管收集的荧光信号与中子飞行时间谱之间略有差别,归一化谱上表现为时间小(即 由图3可知,

把图2的 为了进一步研究光电倍增管收集的荧光时间谱与0.27~0.6MeV中子飞行时间谱之间的差别,

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