基于天然水体慢化作用的天然中子能谱测量方法研究

Natural neutron is an important part of penetrating radiation in the natural radiation which could be harmful to human. The energy spectrum of natural neutron spans more than ten orders of magnitude which covering from thermal neutron to high energy neutron with hundreds of MeV, and it’s difficult to measure the energy spectrum. Up to now, there’s no recognized method to measure the natural neutron energy spectrum which accepted by scientists all over the world, and the theoretical analyzing results of the natural neutron spectra obtained are also different. Based on the measuring neutron levels of different depth under water using the developed neutron detector, the natural neutron energy spectrum measurement method can be established. It can be recognized as a half infinite neutron detector system with different moderating layer thickness when the detector placed in water at different depth. This way can compensate for the shortages of the conventional detecting means such as “moderated ball + neutron detector”. At the same time, the natural neutron spectrum can be obtained by using an analyzing method similar to the multi-sphere neutron spectrometer method. By this project, not only the natural neutron energy spectrum can be obtained with higher credibility, but also the producing mechanism and the distribution of natural neutron could be better understood. Basic datum can be provided for the natural neutron measuring method and technology research in other environmental conditions.

天然中子是人类所受天然辐射中环境贯穿辐射的重要组成部分。由于天然中子在热中子至几百MeV 能区均有分布，能量跨度超过10 个量级，测量难度高，目前还没有准确测量其能谱的公认方法，天然中子能谱的理论分析结果间也存在较大差异。本项目拟通过水下探测器系统的研制，测量水体不同深度处天然中子水平，建立基于天然水体慢化作用的天然中子能谱测量方法。将中子探测器置于水体不同深度处，可以等效为一系列具有不同慢化层厚度的半无限大中子探测器，能够一定程度上弥补常规的“慢化球+探测器”等探测手段的不足，对几百MeV的天然中子进行有效测量。采用类似于多球中子谱仪的解谱方法，可以获得天然中子能谱。通过本项目的开展，不仅可以获得天然中子能谱，提高测量结果的可信度，而且可以结合理论分析进一步深入认识天然中子的来源及分布，并为其他环境条件下天然中子的测量方法和测量技术研究提供基础资料。

天然中子是人类所受天然辐射中环境贯穿辐射的重要组成部分。由于天然中子在热中子至几百MeV 能区均有分布，能量跨度超过10 个量级，测量难度高，目前还没有准确测量其能谱的公认方法，天然中子能谱的理论分析结果间也存在较大差异。本项目研制了基于水体慢化体的水下中子探测器系统，可测量水体不同深度处天然中子水平，建立了基于天然水体慢化作用的天然中子能谱测量方法。将中子探测器置于水体不同深度处，可以等效为一系列具有不同慢化层厚度的半无限大中子探测器，能够一定程度上弥补常规的“慢化球+探测器”等探测手段的不足，对几百MeV的天然中子进行有效测量。采用类似于多球中子谱仪的解谱方法，可以获得天然中子能谱，提高测量结果的可信度。通过本工作的开展，得出天然中子分布的一些规律：.天然中子低能段（<0.1MeV）能谱形状与介质中产生中子的能谱形状无关，但受到环境介质的组成成分的影响。例如，在空气、水、土壤、岩石和混凝土中，天然中子能谱形状均不相同，即使在这些介质中产生的中子能谱形状及注量率相同，最后得到的中子能谱在能谱形状、峰的相对高度、各能群的中子注量率等均有明显差别。地-空交界面处天然中子低能段在热中子区存在一个分布的峰值，峰的位置约在0.7eV左右，该峰可用麦克斯韦-波尔兹曼分布描述；在约0.3eV-0.1MeV之间，为一平台区。平台高度和热中子峰高度之比随所在地点环境介质组成而变。.天然中子能谱中存在数量可观的100MeV以下中子，主要来源于繆子的俘获反应。10-100MeV的相对论中子注量与0.1-10MeV的快中子注量率在同一量级。天然中子能谱中存在高于100MeV的相对论中子，由高能核反应产生。.水体中产生的天然中子注量率可以近似用指数函数表达，探测器计数率可以近似写为n=B+Aexp（-H/H0）。其中，B与探测器系统的电子学噪声、环境中的Gamma射线等因素相关，A与海拔高度、地磁纬度相关，H0则近于一个常数，约为1.8m。