基于气体荧光成像的脉冲中子能谱测量方法研究

Neutron spectrum is one of the most important characteristics for nuclear reaction process diagnosis and study. It is still an unsolved puzzle to measure pulsed neutron spectrum in the radiation field which has a relative long duration and requires real-time measurement. In this project, we propose a new measurement method based on gas scintillation imaging. Through the elastic scattering on polyethylene, pulsed neutron beam is transferred to recoil proton beams first. Then, we form an image of the gas scintillation induced by recoil proton beams. Lastly, we get the neutron spectrum from the scintillation image through unfolding procedure. The theoretical basis of this method is on the two facts: 1) the energy of a recoil proton from polyethylene and energy of the incident neutron is one-to-one correspondence, 2) the range of a proton in gas scintillator and the energy of the incident proton is also one-to-one correspondence. In this project, we are going to do researches on the following aspects: Monte-Carlo simulation of the whole process from neutron to recoil proton and to gas scintillation images, unfolding technology for particle spectrum calculation from gas scintillation image, proof experimental study based on accelerator proton beam. The proposed new method can be applied both for pulsed and steady-state neutron radiation field. The new method will have a relatively high energy resolution. It is believed that this method will provide a new technology way for pulsed neutron spectrum measurement.

中子能谱是研究和诊断核反应过程特性最重要的特征量之一。现有能谱测量方法在一些情况下（如源脉冲持续时间较长、要求实时测量的场合）应用受限，这使得脉冲辐射场中子能谱测量仍然是一个没有完全解决的关键难题。本项目提出了一种基于气体闪烁荧光成像的脉冲中子能谱测量方法，其步骤为首先利用聚乙烯将脉冲中子束转换为反冲质子束，然后获取反冲质子激发的气体闪烁荧光图像，最后根据图像反演求解入射中子束的能谱。该方法成立的基础在于：聚乙烯转换靶产生的反冲质子能量与入射中子能量一一对应，反冲质子在气体中射程与质子能量一一对应。本项目将重点开展中子-反冲质子-气体闪烁荧光全过程模拟技术研究、气体荧光图像到入射粒子束能谱的反演方法研究、基于加速器质子束的气体荧光成像的能谱测量方法演示验证实验研究。这种测量方法对稳态和脉冲辐射场都适用且具有较高的能量分辨，将能为脉冲中子能谱测量探索一条新的技术途径。

中子能谱是研究和诊断核反应过程特性最重要特征量之一。为解决脉冲中子能谱测量难题，本项目研究了一种基于气体闪烁荧光成像的脉冲中子能谱测量方法：首先获取反冲质子束激发的气体闪烁荧光图像，根据图像反演求解入射中子束的能谱分布。中子等探测是通过其与物质相互作用产生的次级带电粒子实现，带电粒子特征参数测量水平和精确度直接影响甚至决定了中子辐射场诊断效果。在研究过程中发展出了单粒子径迹成像技术，可突破低强度中子伽马混合场中子能谱精确诊断的关键技术难题，同时满足其他微弱辐射场特征信息精确测量的现代应用需求。. 开展气体荧光成像中子能谱测量和单粒径迹成像技术理论分析和模拟研究，获得了反冲质子能谱与聚乙烯靶片厚度、出射角、接收范围等因素的关系；开展中子能谱反演方法研究，建立能谱反演数学模型，利用势下降内点算法和GRAVEL方法实现由气体荧光图像到反冲质子束和入射中子束能谱的反演；开展气体荧光成像系统设计和工程应用方案论证，为克服实验室中子源强度不足问题，提出采用质子束代替中子源进行全系统性能检验的方案，并设计制作了凹台阶状结构的硅衰减片；建立基于多丝圆柱形雪崩放大室的单粒子径迹成像实验装置，获取了清晰的单个α、质子、锂离子径迹，并开展径迹特征分析与研究，初步实现了基于单粒子径迹进行带电粒子甄别和能谱测量。在DT中子源上开展单粒子径迹成像测量中子能谱演示实验，获取了清晰的反冲质子径迹，并基于径迹长度推断给出入射中子能谱分布。. 本项目研究的单粒子径迹成像方法和实验技术能够直观给出带电粒子径迹、空间时间分布等特征信息，而基于气体荧光成像方法具有良好的能谱分辨能力，是解决脉冲中子能谱精确测量难题的全新技术途径。相关研究在国家重大科研试验的脉冲中子诊断、聚变能谱除测量、辐射剂量学研究等领域具有广阔的应用前景和重要的研究价值。