油垢厚度檢測中的入射中子束設(shè)計

趙經(jīng)武，陳曉城，阿里木江·乃買提，艾爾肯·阿不列木

（1.南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210093；2.新疆大學(xué) 科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

中子背散射技術(shù)廣泛應(yīng)用于中子測水技術(shù)中。由中子背散射技術(shù)研制的中子表層型水分計，主要應(yīng)用于公路、鐵路、機(jī)場等土建工程中對土基壓實度的檢測和控制，以及焦炭中水分的檢測和堤防工程防滲墻的滲控效果檢驗［1－3］。也可用于檢測埋在土壤里的地雷［4－7］。中子背散射測量的一個共同缺點是當(dāng)被測量參數(shù)變化較大時，測量的熱中子計數(shù)對被測量參數(shù)出現(xiàn)非線性，并趨向于飽和，這是由中子的自屏蔽效應(yīng)引起的，中子在射入目標(biāo)物質(zhì)之前，其能量是按一定的能譜分布的，中子在射入目標(biāo)物質(zhì)后，由于氫對中子的慢化能力和散射能力強(qiáng)，大量的熱中子反射回來并被探測器接收，反射回來的熱中子計數(shù)與物質(zhì)中氫的含量呈正比線性關(guān)系，含氫量越大，反射回來的熱中子計數(shù)就越多，同時氫對熱中子也有一定的吸收能力，所以中子進(jìn)入物質(zhì)越深，剩余的熱中子越少，在最深處就沒有熱中子再反射回來，這就是自屏蔽效應(yīng)帶來的非線性和飽和效應(yīng)，它使得測量精度下降，測量范圍受到限制。文獻(xiàn)［8］提出了在慢化體中開孔的技術(shù)，使得射入目標(biāo)物質(zhì)中的熱中子和超熱中子比值產(chǎn)生變化，通過調(diào)整熱中子和超熱中子比值，使得射入目標(biāo)物質(zhì)中的超熱中子不斷產(chǎn)生熱中子，以補(bǔ)償目標(biāo)物質(zhì)吸收掉的熱中子，該技術(shù)可改善自屏蔽效應(yīng)的非線性，擴(kuò)大測量范圍，提高測量的靈敏度和精度。中子能量越高進(jìn)入的越深，但是在進(jìn)入目標(biāo)物質(zhì)之初，中子能量越高慢化成熱中子的概率越低，反射回來的熱中子很少，對厚度沒有響應(yīng)。在油垢厚度的檢測中，油垢中氫的百分比是一定的，但隨著油垢厚度的增加，氫的總量隨之增加，因此在油垢厚度檢測中，若入射中子能量太高，反射回來的熱中子對較薄的油垢沒有響應(yīng)，若入射中子能量太低，反射回來的熱中子對較厚的油垢沒有響應(yīng)，所以要對入射的中子能譜進(jìn)行調(diào)整，入射的中子要含有一定比例的熱中子，對較薄的油垢厚度有線性響應(yīng)，也要有一定比例的超熱中子，對較厚油垢反射回來的熱中子也有線性響應(yīng)，并且這兩個線性響應(yīng)要一致，這就對入射的熱中子和超熱中子比值有一定的要求。

本工作擬通過簡化模型，應(yīng)用文獻(xiàn)［8］提出的技術(shù)原理，初步探討熱中子和超熱中子入射比值對油垢厚度檢測中非線性的改善情況。采用241Am-Be同位素中子源，討論鎘差法對于研究超熱中子被慢化而補(bǔ)償吸收的可行性。

1 實驗方法

以下用簡單模型來說明入射不同中子束時，中子計數(shù)對油垢厚度響應(yīng)的非線性影響。該模型假定只接受反射的熱中子［8］。

1.1 熱中子入射

假設(shè)入射的是一束平行熱中子束，即熱中子的比例為100%，超熱中子比例為0。熱中子射入目標(biāo)物質(zhì)后隨深度的變化為：

被來自深度x處的d x厚度物質(zhì)背散射回來的熱中子數(shù)d I為：

式中b為入射熱中子強(qiáng)度，It為深度為x處的熱中子強(qiáng)度，I為探測的背散射熱中子強(qiáng)度，Σt和Σs為熱中子宏觀全截面和θ＝180°方向宏觀散射截面，x為深度，t為測量時間，ε為探測效率，D為油垢厚度。

1.2 超熱中子入射

假設(shè)入射的是一束超熱中子，即超熱中子的比例為100%，熱中子比例為0，并假定超熱中子在進(jìn)入目標(biāo)物質(zhì)后隨深度按線性增長慢化為熱中子，增長系數(shù)為α，則在目標(biāo)物質(zhì)內(nèi)，熱中子隨深度的變化表述為：

其被背散射回來的熱中子為：

公式（1）～（4）是兩種理想情況，在實際入射中子束中，熱中子和超熱中子是按一定比例的，假定在目標(biāo)物質(zhì)內(nèi)熱中子隨深度變化為（1）和（3）式復(fù)合式：

（5）式中b／α為入射中子束中熱中子和超熱中子的比例，而背散射回來的熱中子為：

（6）式中，Ω 為立體角。

2 實驗測量結(jié)果與討論

2.1 實驗裝置

實驗?zāi)M裝置示于圖1。實驗中使用241Am-Be中子源（活度為3.7 GBq），置于外徑為180.0 mm、高度為170.0 mm的圓柱體石蠟－硼酸中子慢化體內(nèi)（壁厚75.0 mm），準(zhǔn)直孔直徑30.0 mm，深度為90.0 mm。中子與石蠟中的氫原子核作用很快減速慢化，而摻入適量的硼酸吸收部分熱中子，所以入射到模擬管道的中子束，熱中子和超熱中子有一定的比例。中子探測器為鋰玻璃探測器，由直徑為40 mm、厚度為5 mm鋰玻璃配GDB-44型光電倍增管組成，均由高壓電源提供可調(diào)高壓，由放大器放大和調(diào)整信號的放大倍數(shù)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用北京核儀器廠生產(chǎn)的BH1224型微機(jī)多道譜儀系統(tǒng)和U MS軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 模擬用實驗裝置截面圖1——慢化體；2——241 Am-Be中子源；3——鉛塊；4——鋼管；5——油垢；6——空氣；7——中子探測器

2.2 測量結(jié)果與比較

用一根長300.0 mm、外徑為126.5 mm、壁厚為5.5 mm的鋼管模擬輸油管道。由于聚乙烯與油垢有相似的化學(xué)成分，在實驗中用聚乙烯模擬油垢，通過在鋼管內(nèi)壁疊加聚乙烯的層數(shù)使其厚度范圍以2 mm均勻增加為0～20 mm。

由公式（1）～（6）簡單模型擬合的曲線示于圖2和圖3，圖中公式（1）和（5）在油垢厚度為0時設(shè)為1，為與實驗測量結(jié)果比較，公式（3）設(shè)α＝1，公式 （5）和 （6）設(shè)b／α＝31 及 設(shè) Σt＝0.069 mm－1。由圖2和圖3可見，純熱中子入射在目標(biāo)物質(zhì)內(nèi)隨深度呈指數(shù)下降，導(dǎo)致背散射的熱中子很快達(dá)到飽和；而公式（3）假定下的純超熱中子，在深度較淺時對油垢厚度的響應(yīng)不靈敏，在測量較厚油垢時，背散射的熱中子非線性得到明顯改善；而當(dāng)熱中子和超熱中子按一定比例入射時，背散射的熱中子對油垢厚度的響應(yīng)和非線性都得到了明顯改善。

在中子探測器的前端放置鎘片，利用鎘對熱中子的強(qiáng)烈吸收，測量鎘上中子計數(shù)Nd（能量0.4 e V以上的中子），移去鎘片測量全中子計數(shù)N0，利用Nt＝N0－Nd計算鎘下中子計數(shù)。用鎘下中子計數(shù)Nt評價熱中子，用鎘上中子計數(shù)Nd評價超熱中子。鎘下中子入射結(jié)果與公式（5）比較結(jié)果示于圖2。由圖2可以看出，在油垢厚度增加的初期，實驗測量結(jié)果與公式（5）吻合較好，而隨著厚度增大，熱中子有趨向飽和的現(xiàn)象，這是由于慢化體是由石蠟組成，由慢化體出射的超熱中子中低能中子比例高，在聚乙烯中很快被減速慢化為熱中子。散射的鎘下中子計數(shù)對油垢厚度的響應(yīng)與公式（6）的比較示于圖3。由圖3可以看出，同樣在油垢厚度增加的初期，實驗結(jié)果與公式（6）吻合較好，而隨著厚度增大，實驗測量結(jié)果略小于公式（6）。

圖2 目標(biāo)物質(zhì)內(nèi)熱中子相對強(qiáng)度隨油垢厚度的響應(yīng)

圖3 熱中子計數(shù)相對強(qiáng)度隨油垢厚度的響應(yīng)

將中子探測器移到模擬管道的另一側(cè)，并正對中子源形成透射測量，測量的鎘下中子計數(shù)Nt表示熱中子隨油垢厚度變化的響應(yīng)，測量的鎘上中子計數(shù)Nd表示超熱中子隨油垢厚度增加的響應(yīng)，結(jié)果示于圖4，圖4中鎘上中子和鎘下中子的計數(shù)N在厚度為0時均設(shè)為1。

圖4 目標(biāo)物質(zhì)內(nèi)中子相對強(qiáng)度隨油垢厚度的響應(yīng)

由圖4可見，在油垢厚度增加的初期，鎘下中子計數(shù)隨厚度的增加在減少，說明入射的中子束中包含了一定比例的熱中子，這部分熱中子在進(jìn)入時按指數(shù)衰減；而隨著厚度的再增加，鎘下中子計數(shù)隨厚度的增加而增加，鎘上中子計數(shù)則隨之減少，說明在油垢中有熱中子的產(chǎn)生，這部分產(chǎn)生的熱中子是由超熱中子在油垢中減速慢化產(chǎn)生的。

3 小 結(jié)

由簡單模型與實驗測量結(jié)果比較可見，在中子背散射測量油垢厚度時，用于測量的中子束設(shè)計非常重要，中子束設(shè)計有助于改善非線性效應(yīng)，提高油垢厚度檢測的水平。本研究只是在簡單模型下，利用簡單的慢化體設(shè)計初步探討了這種方法的基本原理，慢化體的設(shè)計只用了石蠟，而硼酸的加入是為了提高超熱中子的比例，但超熱中子中低能中子比例較高在油垢厚度較厚時還是出現(xiàn)了明顯的非線性效應(yīng)，為了對非線性效應(yīng)有進(jìn)一步的改善，慢化體的設(shè)計中應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)钠渌雍说拇嬖?，如碳原子核，以提高中能中子和較高能量中子的比例。初步研究結(jié)果可見，通過調(diào)節(jié)熱中子和超熱中子的比例，以及超熱中子中低能中子、中能中子和較高能量中子的比例，可以有效改善背散射中子測量中的非線性效應(yīng)，對背散射中子測量技術(shù)的應(yīng)用有很好的推動作用。

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