瞬发伽马活化成像的数学模型建立与模拟重建北大核心CSCD

瞬发伽马活化成像中,样品内部的中子自屏蔽和伽马自吸收效应会使测量结果产生不均匀分布。针对成像单元响应不一致的问题,研究了样品内部中子场不均匀分布和伽马自吸收效应的影响,并进行了理论推导,建立了用于修正成像单元响应和图像重建的数学模型,利用数学模型对Fe,H元素瞬发伽马活化成像的蒙特卡罗模拟进行了元素图像重建。结果显示,样品内中子场和γ自吸收对成像的影响得到明显改善,Fe和H元素的含量分布使用此模型可以被精确重建,验证了数学模型的有效性。     

瞬发γ活化分析系统的建立

瞬发γ中子活化分析是重要的核分析方法之一,是H和B等轻元素的重要分析手段,近年来应用范围不断增加.概要介绍了瞬发γ中子活化分析的基本原理,重点介绍了中国原子能科学研究院重水研究堆热中子束瞬发γ中子活化分析实验装置以及50 keV－11 MeV的宽能区γ效率刻度方法.还应用瞬发γ中子活化分析分析了海底锰结核标准物质GSPN 3中11种元素,结果与标准值基本一致.Neutron induced prompt γ activation analysis(PGNAA),is one of the nuclear analytical method,which is a powerful tool for H,B,etc.undestructive determination.The applications of PGNAA are increased in recent years.In this paper,the basic principle of PGNAA was introduced briefly.The facilities of PGNAA in HWRR of China Institute of Atomic Energy as well as the efficiency calibration for a wide range gamma from 50 keV to 10 MeV were emphasized.A deep sea polymetallic nodule CRM,GSPN 3 was analyzed by using PGNAA in this work,the results have agreement with the certified values.     

瞬发中子密度衰减法计算中子代时间

采用蒙特卡罗程序MCNP计算了西安脉冲堆中子代时间。使用MCNP程序模拟了反应堆瞬发中子通量密度衰减,基于忽略缓发中子项的点堆动力学方程计算出中子代时间。在微次临界下,研究了次临界度、源的分布、计数区域等对西安脉冲堆中子代时间计算结果的影响。计算分析表明:采用瞬发中子密度衰减法计算中子代时间时,微次临界度、源分布、计数区域等对计算结果影响都很小;误差产生的主要原因是忽略缓发中子项的点堆动力学方程并不能较好地反应瞬发中子通量密度的衰减规律。     

瞬发中子密度衰减法计算中子代时间

采用蒙特卡罗程序MCNP计算了西安脉冲堆中子代时间。使用MCNP程序模拟了反应堆瞬发中子通量密度衰减,基于忽略缓发中子项的点堆动力学方程计算出中子代时间。在微次临界下,研究了次临界度、源的分布、计数区域等对西安脉冲堆中子代时间计算结果的影响。计算分析表明：采用瞬发中子密度衰减法计算中子代时间时,微次临界度、源分布、计数区域等对计算结果影响都很小;误差产生的主要原因是忽略缓发中子项的点堆动力学方程并不能较好地反应瞬发中子通量密度的衰减规律。     

2.8MeV中子诱发238U裂变的瞬发中子谱高能段实验测量

在中国原子能科学研究院的高压倍加器上利用中子飞行时间方法测量了2.8 MeV中子引起238U裂变的瞬发中子能谱,通过增大样品量和设计合适的屏蔽体提高了效应/本底比,使得测量数据的不确定度满足预期目标（在5.5～14 MeV能区内,能量间隔为0.5 MeV条件下能谱的不确定度小于10%）。将实验几何、中子源能量分布及角分布、探测效率、束流的时间结构等实验条件输入到MCNP程序里,模拟了出射的中子谱,模拟结果与测量结果在不确定度范围内一致,验证了在入射中子能量较低时238>U的裂变瞬发中子谱评价数据的可靠性。The Prompt Fission Neutron Spectrum (PFNS) of 238U induced by 2.8 MeV neutron was measured using the Cockcroft-Walton accelerator in China Institute of Atomic Energy (CIAE). The signal/background ratio was improved by increasing the amount of sample mass and using an appropriate shielding system. The final uncertainty of neutron energy spectrum in 5.5～14 MeV region is less than 10% with a bin size of 0.5 MeV which has reached this project's anticipation. The experimental geometry, the angular distribution and energy distribution of neutron source, the detection efficiency and time structure of deuteron beam were inputted into the MCNP code to simulate the outgoing neutron spectrum. The simulated results agree with the experimental ones within the uncertainty. The result indicates that the evaluated PFNS for 238U at low neutron energy is reliable.     

高空核爆炸瞬发辐射电离效应的数值模拟

采用蒙特卡罗方法模拟了高空核爆炸瞬发辐射中子、γ射线、X射线电离大气的过程,给出了几种爆炸场景下瞬发辐射产生的附加电离电子密度空间分布.针对大气密度随高度非均匀连续变化的特性,采用质量距离抽样方法取代常用的步长抽样方法,无需根据大气密度随高度的变化进行分层处理,提高了计算效率.结果表明:对于不同的爆高,瞬发辐射电离分布存在显著的差异;随着爆高的增加,瞬发辐射附加电离区范围增大,但电子密度的峰值减小. 关键词： 高空核爆炸 瞬发辐射 大气电离 蒙特卡罗方法     

散射中子对超瞬发临界系统动态行为的影响

在点反应堆理论的基础上,建立了研究散射中子影响超瞬发临界系统动态行为的模拟计算方法, 利用CFBR-Ⅱ堆的脉冲实验验证了该方法的正确性。通过分析计算表明, 在超瞬发临界状态, 散射中子的影响包括增加反应性、使脉冲波形后沿展宽和增加脉冲裂变产额。建立的模拟计算方法为预测脉冲堆外各种物体产生的散射中子的动力学效应提供了途径, 对提高脉冲堆的核安全有应用价值。     

基于瞬发伽马中子活化分析技术的金属样品检测研究

在合金材料的生产过程中,不同金属元素的含量改变对产品的性能以及可靠性有重要的影响,通过在线检测技术能够对产品中不同元素含量进行实时分析,从而指导其工业生产过程,提高产品质量。目前常规的无损检测方法受限于分析深度,无法对样品内部成分进行分析,从而影响测量结果的准确性。瞬发伽马中子活化分析（PGNAA）技术是一种高灵敏度、多元素同时分析的无损检测技术,可以对大块样品进行快速分析。针对PGNAA技术在大体积金属样品检测的可行性进行研究,通过测量快中子与样品发生非弹性散射反应激发的伽马射线对样品成分进行分析。搭建了一套测量系统,包括D-T中子发生器,中子反射体,中子准直体,高纯锗（HPGe）探测器及探测器屏蔽防护。首先,对Fe,Ti,Cr,Ni和Cu等5种金属元素进行了分析研究。对不同质量下的样品进行测量,通过伽马能谱处理软件GAMMAFIT对HPGe探测器测量到的特征伽马峰进行拟合,获得全能峰的净面积。分析全能峰净面积与样品质量之间的响应,对探测器的探测效率变化造成的非线性响应进行修正,得到不同元素的校准曲线,结果显示各元素修正后的校准曲线均具有良好的线型关系。对不同元素的质量检测限进行分析,不同金属元素的质量检测限分别为Fe（44 g）,Ti（25 g）,Cr（33 g）,Ni（108 g）和Cu（72 g）。利用测量系统对不锈钢合金样品中的Fe和Cr元素含量测量开展了研究,通过测量标准样品建立了Fe和Cr元素的定标曲线,并对未知样品进行了测量分析。同时与X射线荧光光谱（XRF）测量结果进行了对比分析,结果表明两种方法的Fe元素和Cr元素测量值偏差分别为4.08%和2.97%。研究结果表明,利用PGNAA技术可以对多种金属元素和合金样品进行测量分析,为后续其他金属样品的检测奠定了研究基础。     

爆炸物检测中典型样品的瞬发γ谱测量

在中子检测爆炸物的研究中,利用14 MeV中子与原子序数大于5的原子核相互作用可产生特征射线的特性,采用伴随粒子法结合D-T中子飞行时间技术,使用尺寸为12.5 cm20 cm的大体积NaI(Tl)探测器,对爆炸物所含元素C,N,O以及一些模拟炸药样品进行了瞬发谱测量。获得了几种典型样品的特征谱,并对其进行了分析。实验结果与欧盟同期结果进行了比较,表明本实验研究达到了目前国际同类实验的水平,可以为中子检测爆炸物识别技术提供实验支持。     

PGNAA煤质在线测量中同时提高C、O和其它元素测量精度的慢化体模拟

提出两种慢化体设计方案,第一种方案直接在原有慢化体中引入孔道,第二种方案在慢化体中增加一层铅之后再引入孔道.利用蒙特卡罗方法对两种方案进行研究.计算结果表明,采用第一种方案可以有效地提升C、O元素的测量精度,但同时会降低H、Si等元素的测量精度;采用第二种方案可提高C元素和O元素的测量精度,同时也可以提高H、Si等其它元素的测量精度.     

大质量样品厚度对中子活化定量分析的影响和修正

滑石粉的主要化学成分是Mg3[Si_4010](OH)_2,通过检测面粉中~(24)Mg和~(28)Si原子核的含量,可以计算出面粉中滑石粉的含量.利用中子活化分析方法测量面粉中~(24)Mg和~(28)Si原子核的含量问题时,被测样品内部中子通量和能量随厚度的变化以及γ射线自吸收效应会对测量结果有较大的影响.利用MCNP5 (Monte Carlo N-particle transport code system 5)模拟了中子通量和能量与样品厚度变化的关系,并利用氦3正比计数管测量样品不同厚度处中子通量,结果显示MCNP5模拟结果与实验测量结果基本相符.通过MCNP5模拟和碘化钠探测器测量,研究了γ射线自吸收效应与样品厚度的关系,确定了6.6 cm的样品厚度为最佳实验条件,根据模拟结果给出了特征γ射线计数与样品厚度的关系式,并与实验进行对比,结果符合得较好.     

一种用于中子散射成像的快速反投影重建方法

针对中子散射成像建立了一种快速反投影重建方法,这种方法首先根据每一个散射事件确定粒子可能所在的空间范围,然后该空间范围中进行重建,大大减少了重建的运行时间。应用所建立的方法对模拟的成像数据进行处理,结果表明:重建源与实际源的位向一致,对1000个散射数据进行处理,用时约3 s;对5探测单元成像得到的模拟数据处理,得到重建后点源的位向分辨为8.0°;重建源的位向分辨不随设定重建平面的位置而改变,但重建平面距探测平面越近,重建速度越快;当重建平面达到一定尺寸时,继续增加大重建平面尺寸,重建的运行时间增加不明显,该方法在大视场空间探测成像应用中,具有较高的重建效率。     

一种用于中子散射成像的快速反投影重建方法

针对中子散射成像建立了一种快速反投影重建方法,这种方法首先根据每一个散射事件确定粒子可能所在的空间范围,然后该空间范围中进行重建,大大减少了重建的运行时间。应用所建立的方法对模拟的成像数据进行处理,结果表明：重建源与实际源的位向一致,对1000个散射数据进行处理,用时约3 s;对5探测单元成像得到的模拟数据处理,得到重建后点源的位向分辨为8.0;重建源的位向分辨不随设定重建平面的位置而改变,但重建平面距探测平面越近,重建速度越快;当重建平面达到一定尺寸时,继续增加大重建平面尺寸,重建的运行时间增加不明显,该方法在大视场空间探测成像应用中,具有较高的重建效率。     

氘氘中子产额铟活化诊断方法

提出了活化法测量DD中子产额的实验方法,该方法可提高DD中子产额测量的精度。方法基于铟同位素115In与DD中子的非弹性散射反应,活化反应释放的射线被HPGe探测器记录,根据活化系统标定灵敏度推算出中子产额。分析了探测器记录的活化射线数与中子产额间的关系。介绍了一套活化测量的系统设计。通过蒙特卡罗方法模拟了活化样品出射的射线数与样品厚度的关系,模拟结果表明:样品厚度取为1 cm可兼顾活化效率和测量精度。在加速器上对铟活化样品进行了标定实验,实验结果表明:在聚变中子产额大于2109的实验中可使用铟活化诊断方法,中子产额测量的相对标准误差在10%以内。随着聚变中子产额的不断提高,铟活化测量中子产额的精度可进一步提高。     

基于小型加速器的编码中子源成像研究

编码中子源成像可以在对中子注量率影响不大的情况下大大提高成像的准直比, 从而提高成像质量.北京大学开展了基于小型加速器的编码中子源成像技术研究工作. 不同于已有的基于反应堆的小面积编码板的研究工作, 北京大学建立了基于小型加速器的大面积编码板的编码中子源成像实验平台, 并对加速器中子源上的实验方法和数据处理进行了探索, 对比了重建算法, 获得了初步的重建照片.研究工作表明, 编码中子源成像技术可用于加速器中子源, 但重建图像质量仍须提高. 关键词： 加速器中子源 中子成像 编码源成像 图像重建     

血液中Na活化放射性测量的蒙特卡罗模拟

针对超临界事故中人体受到中子辐照后感生的24Na活度测量,采用MCNP软件建立蒙特卡罗模拟模型,分别模拟不同类型NaI探测器对24Na衰变的两条射线全能峰的探测效率和塑料闪烁体探测器对24Na衰变的射线总计数的探测器效率。模拟结果表明:井型NaI探测器与圆柱型相比,24Na衰变的1.38 MeV和2.76 MeV 射线全能峰探测效率分别提高了4.30倍和4.11倍;塑料闪烁体探测器对24Na衰变的射线的探测效率是NaI探测器对24Na 射线的探测效率的1.72倍;同时粗略计算了探测器计数与人体所受中子辐照剂量之间的关系。     

血液中Na活化放射性测量的蒙特卡罗模拟

针对超临界事故中人体受到中子辐照后感生的24Na活度测量,采用MCNP软件建立蒙特卡罗模拟模型,分别模拟不同类型NaI探测器对24Na衰变的两条射线全能峰的探测效率和塑料闪烁体探测器对24Na衰变的射线总计数的探测器效率。模拟结果表明：井型NaI探测器与圆柱型相比,24Na衰变的1.38 MeV和2.76 MeV 射线全能峰探测效率分别提高了4.30倍和4.11倍;塑料闪烁体探测器对24Na衰变的射线的探测效率是NaI探测器对24Na 射线的探测效率的1.72倍;同时粗略计算了探测器计数与人体所受中子辐照剂量之间的关系。     

Applications of Prompt Gamma Ray Neutron Activation Analysis: Detection of Illicit Materials

Abstract

Prompt gamma ray neutron activation analysis (PGNAA) is an efficient nondestructive multi-elemental detection technique for samples such as metals, coal (mineral), cement, and radioactive materials as well as for explosives, chemical warfare agents, various narcotics, land mines, etc. The technique can be used in the laboratory or for on-site analysis for various samples. In addition, the PGNAA technique in elemental analysis can provide more accurate detection results with low false alarm in variety of application fields when combined with image scanning and chemometric treatment of the obtained data. The development of small-sized neutron generators enabled and widened these applications because a stationary nuclear reactor is no longer an indispensible element in PGNAA.     

惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统的优化研究

在激光驱动的惯性约束聚变实验中,中子半影成像是重要的诊断方法.基于分辨率的要求,模拟了中子源与半影孔装置间不同距离、半影孔装置不同厚度、半影孔装置不同外径以及不同孔型的系统点扩展函数,通过分析点扩展函数的尖锐性和等晕性优化诊断系统.同时还给出了系统的装配误差要求,并发现系统在线性重建时能达到15 μm分辨率,而非线性重建时能满足5 μm分辨率的诊断要求. 关键词： 中子半影成像 Monte Carlo方法 系统优化 分辨率