影響中子符合計(jì)數(shù)器測(cè)量結(jié)果的因素探討

陸 宏，初泉麗，李多宏，劉立坤，陳芳雷，周志波

影響中子符合計(jì)數(shù)器測(cè)量結(jié)果的因素探討

陸 宏，初泉麗，李多宏，劉立坤，陳芳雷，周志波

（國(guó)家核安保技術(shù)中心，北京 102401）

在核材料衡算領(lǐng)域，中子計(jì)數(shù)測(cè)量是非破壞性分析技術(shù)中一種重要的方法，該技術(shù)可以對(duì)鈾钚等核材料進(jìn)行定量分析。簡(jiǎn)述了中子測(cè)量原理，并搭建中子平板探測(cè)器，對(duì)影響中子符合計(jì)數(shù)器測(cè)量結(jié)果的一些因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)該方法更好的應(yīng)用具有一定的參考意義。

AWCC；中子測(cè)量；吸收；效率

隨著世界范圍內(nèi)核電的復(fù)興和核技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，核材料和其他放射性物質(zhì)的應(yīng)用更加廣泛，隨之而來(lái)核材料擴(kuò)散和流失的風(fēng)險(xiǎn)也在加大。同時(shí)，國(guó)際社會(huì)安全形勢(shì)日趨復(fù)雜，恐怖分子和跨國(guó)犯罪組織非法獲取、販運(yùn)核材料，甚至制造核恐怖事件的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)“非法販運(yùn)核及其他放射性物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)”（ITDB）統(tǒng)計(jì)，1996年至2019年全球共發(fā)生3 686起核材料或放射性材料的非法交易、盜竊或丟失事件，其中290起涉及非法販賣及惡意使用，12起涉及高濃鈾，2起涉及钚，尤其是2016年以來(lái)事件數(shù)量快速攀升，且多數(shù)丟失的材料未被找回。

鈾钚是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，在核安保領(lǐng)域?qū)︹?、钚核材料的分析可以使用破壞性分析方法和非破壞性分析方法[1]；破壞性分析方法如Davies-Gray滴定方法和庫(kù)侖電位儀的方法，可分別用來(lái)測(cè)量鈾钚的含量，但需要破壞樣品，操作復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)；也可以采用非破壞性分析方法，中子符合測(cè)量技術(shù)是非破壞性分析技術(shù)中的重要方法之一[2]，因?yàn)殁欘卸伎梢宰园l(fā)裂變產(chǎn)生中子，钚的偶同位素自發(fā)裂變率很高，可以在無(wú)源模式下測(cè)量钚和有源模式測(cè)量鈾[3-5]，對(duì)于大質(zhì)量的238U都可以進(jìn)行中子測(cè)量，結(jié)合同位素豐度分析，可以對(duì)鈾钚定量分析，中子測(cè)量不需要破壞樣品，尤其對(duì)大體積樣品可進(jìn)行快速分析，不受射線的干擾，而且誤差很小。

簡(jiǎn)述了中子測(cè)量原理，并搭建中子平板探測(cè)器，對(duì)影響中子符合計(jì)數(shù)器測(cè)量結(jié)果的一些因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)該方法更好的應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 中子測(cè)量原理

中子不帶電，具有很強(qiáng)的穿透性，中子探測(cè)器一般選用3He 正比計(jì)數(shù)管，主要利用3He 正比計(jì)數(shù)管與熱中子反應(yīng)截面大的特點(diǎn)，其反應(yīng)截面為5 330 ×10-26m2。其核反應(yīng)如1 式所示:

3He 正比計(jì)數(shù)管工作示意圖如圖1 所述。熱中子與3He氣體發(fā)生核反應(yīng)，釋放出能量使3He氣體發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的電荷被收集放大形成電壓脈沖，經(jīng)過放大器進(jìn)一步放大，進(jìn)行脈沖分析。

圖1 3He正比計(jì)數(shù)管工作原理圖

中子計(jì)數(shù)器接線示意圖如圖2所示。

圖2 中子計(jì)數(shù)器接線示意圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備及組成

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

平板中子探測(cè)器系統(tǒng)[6-8]，自制；有源井形中子符合計(jì)數(shù)器（AWCC），堪培拉公司生產(chǎn)。

2.2 設(shè)備組成

平板中子探測(cè)器系統(tǒng)，主要有3He管、聚乙烯、高壓盒、JSR-15、電源、線纜和中子源組成，將中子源放置在平臺(tái)上，與探測(cè)器保持一定的距離，用隔擋將探測(cè)器與聚乙烯板固定，如圖3所示。

有源井形中子符合計(jì)數(shù)器（AWCC）由測(cè)量裝置、JSR-15中子移位寄存器，以及INCC數(shù)據(jù)獲取及分析軟件組成。AWCC符合中子測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，測(cè)量腔尺寸為20.6cm×22.9cm(×)(有聚乙烯盤)，測(cè)量腔周圍的高密度聚乙烯慢化層中分兩圈排布了42根3He中子計(jì)數(shù)管，3He管被分為6組，每組7根。每組3He管接入一個(gè)JAB-01型放大/甄別電路板，6個(gè)JAB-01型放大/甄別電路板安裝在一個(gè)密封的電子學(xué)盒內(nèi)。在測(cè)量過程中，可以通過與每組3He管相對(duì)應(yīng)的LED指示燈來(lái)指示每個(gè)JAB-01的工作狀態(tài)。

圖3 平板中子探測(cè)器測(cè)量系統(tǒng)

圖4 AWCC測(cè)量裝置示意圖

3 測(cè)量結(jié)果與討論

3.1 中子吸收實(shí)驗(yàn)

分別用鋁板，鐵板，銅板和鎘板做實(shí)驗(yàn)，觀察對(duì)快中子和熱中子的吸收。按圖5所示位置擺放探測(cè)器，中子源與吸收板。聚乙烯板的厚度為1.9 cm。分別將金屬板插入A、B、C 3個(gè)位置，測(cè)量中子計(jì)數(shù)，忽略本底測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)間100 s，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖5 中子吸收實(shí)驗(yàn)擺放位置圖

表1 不同材料對(duì)中子吸收影響

由表1可知，先在A位置放置Cu+Fe+Cd板，然后放置聚乙烯板，對(duì)中子吸收不大，若將兩者的位置交換，將3種金屬板放在B位置，中子吸收明顯；將Cu和Fe放置在B位置，中子計(jì)數(shù)只有微小的降低，對(duì)中子的吸收影響不明顯，Cd板對(duì)中子計(jì)數(shù)影響較大，主要是鎘板的吸收截面（2 450b）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cu和Fe（2.5b），鎘板在C位置時(shí)，中子計(jì)數(shù)略微降低，主要是鎘板吸收了環(huán)境本底中的中子和散射的中子。

3.2 中子屏蔽效應(yīng)

對(duì)中子源進(jìn)行屏蔽來(lái)研究中子慢化與吸收，源與探測(cè)器的位置與前面的試驗(yàn)相同，移走所有的吸收與散射材料。假設(shè)252Cf源是外部的中子源，要對(duì)其進(jìn)行屏蔽。將Cd板放置在源側(cè)，在Cd板與源之間放置10 cm聚乙烯板，測(cè)量100s，記錄結(jié)果如表2所示。

表2 聚乙烯板和鎘板對(duì)中子屏蔽效應(yīng)

由表2可知，聚乙烯板對(duì)中子有很強(qiáng)的屏蔽作用，若屏蔽時(shí)采用聚乙烯板與鎘板的組合，屏蔽效果將更強(qiáng)，10 cm聚乙烯板將會(huì)使中子熱化，熱中子被Cd板吸收，不能到達(dá)探測(cè)器，故探測(cè)器計(jì)數(shù)降低。

3.3 偶然計(jì)數(shù)率與總中子計(jì)數(shù)率比值（A/T）的測(cè)試

在進(jìn)行測(cè)量質(zhì)量控制，驗(yàn)證電子學(xué)線路正常一般是通過總中子計(jì)數(shù)率與門寬進(jìn)行計(jì)算，總中子計(jì)數(shù)率能用來(lái)計(jì)算偶然計(jì)數(shù)率（calc=2）。估算的和測(cè)量的偶然中子計(jì)數(shù)率兩者之間在統(tǒng)計(jì)不確定度范圍內(nèi)的不一致性表明符合電路硬件失效或本底中子計(jì)數(shù)率在測(cè)量期間顯著變化。將1枚252Cf源置于AWCC探測(cè)器測(cè)量腔中心位置，在信號(hào)觸發(fā)模式和快開門模式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間100 s，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，/calc值在1.0附近，表明電子學(xué)線路正常。

3.4 AWCC軸向與徑向效率驗(yàn)證

使用252Cf中子源(5065#)，測(cè)定空腔條件下沿中心軸的軸向效率響應(yīng)曲線和中心平面上的徑向效率響應(yīng)曲線，圖6為軸向和徑向示意圖。將1枚252Cf源置于探測(cè)器測(cè)量腔軸向與徑向不同位置，進(jìn)行測(cè)量，時(shí)間10s，計(jì)算探測(cè)器的效率=（總計(jì)數(shù)率-本底計(jì)數(shù)率）/源活度，測(cè)量結(jié)果如圖7和8所示。

表3 電子學(xué)線路驗(yàn)證結(jié)果

圖6 軸向與徑向示意圖

由圖7可知，效率最大值位置在距離底部27 cm處，越往上下兩端，效率越低，腔體中心位置距離底部30 cm。

由圖8可知，在中心點(diǎn)處，徑向不同位置進(jìn)行測(cè)量，計(jì)數(shù)值沒有發(fā)生很大變化，因此樣品左右位置的擺放，對(duì)結(jié)果影響較小。

在中心水平面取289個(gè)點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算（圖9），點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為1.5 cm，平均中子探測(cè)效率為37.8%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.1%。

3.5 γ源對(duì)測(cè)量的影響

先將1枚252Cf源（編號(hào)5065#）固定于探測(cè)器測(cè)量腔中心位置，進(jìn)行測(cè)量，時(shí)間30 s，再將另1枚0.1mCi152Eu源置于測(cè)量腔中心和儀器外面不同位置處，進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如下：

圖7 軸向效率驗(yàn)證

圖8 徑向效率驗(yàn)證

圖9 模擬計(jì)算的測(cè)量腔中心平面的探測(cè)效率

由表4可見，源在不同位置處的計(jì)數(shù)基本無(wú)變化，不論源在儀器內(nèi)，還是儀器外，對(duì)測(cè)量結(jié)果基本不產(chǎn)生影響。

3.6 偶然中子事件的影響

先將1枚252Cf源，源號(hào)M2-746，置于探測(cè)器測(cè)量腔中心位置，進(jìn)行測(cè)量，時(shí)間100 s，保持測(cè)量腔中的源不動(dòng)，將另外1枚252Cf源，源號(hào)FTC-CF-5066，置于探測(cè)器外面5 cm處，再次進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間100 s，分析外部偶然中子對(duì)總計(jì)數(shù)率和符合計(jì)數(shù)率的影響，結(jié)果如下。

由表5可知，外部的偶然中子事件對(duì)樣品測(cè)量的總計(jì)數(shù)影響較大，對(duì)符合計(jì)數(shù)幾乎沒有影響。由于射線照射管壁材料（Al或Fe）而產(chǎn)生的次級(jí)電子引起的脈沖信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，在時(shí)間上不具有相關(guān)性，對(duì)符合中子計(jì)數(shù)率D沒有貢獻(xiàn)。但是，核材料的裂變中子，在時(shí)間上是相關(guān)聯(lián)的，幾乎同時(shí)（10－13s）發(fā)射出來(lái)。因此利用專用的中子符合分析電路進(jìn)行符合測(cè)量，能夠從根本上消除射線對(duì)核材料裂變中子的測(cè)量分析影響。

表4 γ源對(duì)測(cè)量的影響結(jié)果

表5 偶然事件的影響

4 結(jié)論

中子測(cè)量技術(shù)是非破壞性分析的重要技術(shù)之一，本實(shí)驗(yàn)分別用鋁板，鐵板，銅板和鎘板進(jìn)行研究，快中子與聚乙烯板作用后，產(chǎn)生熱中子，鎘板對(duì)熱中子的吸收作用最強(qiáng)；探測(cè)器電子學(xué)線路是否正常，通常用/calc進(jìn)行檢驗(yàn)，其值在1.0附近，表明電子學(xué)線路正常；測(cè)定樣品腔沿中心的軸向效率響應(yīng)曲線和中心平面上的徑向效率響應(yīng)曲線，軸向越往上下兩端，效率越低，徑向不同位置進(jìn)行測(cè)量，計(jì)數(shù)值沒有發(fā)生很大變化，所以樣品左右位置的擺放，對(duì)結(jié)果影響不大；在合適的工作電壓下，γ源對(duì)測(cè)量結(jié)果幾乎無(wú)影響，影響測(cè)量結(jié)果的因素還有儀器的結(jié)構(gòu)等參數(shù)，還需進(jìn)一步討論。

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Discussion on the factors influencing the measurement results of AWCC

LU Hong，CHU Quanli，LI Duohong，LIU Likun，CHEN Fanglei，ZHOU Zhibo

(State Nuclear Security Technology Center，Beijing 102401，China)

Neutron measurement technology is an important method of non-destructive analysis technology in the field of nuclear material accounting, which can quantitatively analyze uranium, plutonium and other nuclear materials. This paper briefly describes the principle of neutron measurement, builds flat-panel detector and carries out experimental research on some factors affecting AWCC measurement results, which has certain reference significance for better use of this method.

AWCC；neutron measurement；absorption；efficiency

TL271；TL273

A

1672-0636(2021)03-0373-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2021.03.011

2021-01-20；

2021-02-19

陸宏（1979— ），女，山東膠州人，工程師，主要從事核軍標(biāo)研究，大型基建項(xiàng)目管理，核安保國(guó)際合作與交流等工作。E-mail：hong_lu@snstc.org

李多宏（1981— ），男，甘肅天水人，高級(jí)工程師，主要從事核材料衡算技術(shù)研究。E-mail：duohong_li@snstc.org