基于三维径迹识别的快中子探测技术研究

In the case of fast neutron detection by recoiling proton, the determination of the recoil proton trajectory direction has an important influence on the incident neutron detection. In this work we will draw on integrated optical imaging technology, introduce microlens array structure into the fast neutron detection, using the three-dimensional imaging technology to identify recoil proton trajectory. However, the introduction of this method is confronted with many theoretical and practical problems that restrict the practical application of the detection technology, such as the imaging conditions of short distance and deviating the optical axis, the fluctuation effect of scintillation photons, and the manufacturing limitations of the detectors caused by scintillator properties, processing technics and.photoelectric devices. We will develop 3D reconstruction algorithm in the case of deviating from the traditional geometrical optics based on the Monte-Carlo simulation method, verify the validity of the simulation method by experiments, considering the practical conditions, and identify the feasibility of fast neutron detection using microlens arrays to identify trajectories.

利用核反冲法进行快中子探测时，反冲质子径迹方向的确定对于入射中子探测具有重要影响。本工作借鉴集成光学成像技术，将微透镜阵列结构引入快中子探测中，通过三维成像技术能够识别出反冲质子径迹。但该方法的引入面临近距离远离光轴的成像条件、光子数有限造成的涨落效应以及探测材料工艺器件造成的探测器制造限制等制约该探测技术走向实用化的诸多理论及实践因素。本研究从蒙特卡洛模拟仿真方法出发，研究在偏离传统几何光学条件下的三维位置重建算法，设计实验对模拟仿真方法的有效性进行验证，结合各实际因素，对利用微透镜阵列实现径迹识别并应用于快中子探测的可行性进行评价。

本项目以模拟仿真研究为主，依据透镜阵列的成像原理，研究了反冲质子的径迹识别方法，实现了相关的重建算法，并研究了基于该方法的快中子探测可行性。项目首先根据目标特点，建立了适宜的模拟仿真模型。在此基础上开展闪烁光点发射类型的事例识别研究，研究对象选择为能量较低的质子入射事例，例如2MeV。结果表明，可以实现闪烁光发射位置的三维定位，定位精度可以达到与光电感应器件位置分辨能力相当的水平，但由于透镜改变了闪烁光的输出模式，使得能量分辨能力下降非常严重。然后选择能量较高的入射质子事例，例如30MeV，在该能量下，质子轨迹长度与透镜大小相当，在此基础上开展径迹识别研究。研究表明径迹探测能力可以达到和点发射探测能力相当的水平。在完成了上述研究的基础上，依据碰撞关系中入射快中子与反冲质子的能量和方向关系，对入射中子事例进行模拟研究，验证方案的可行性。结果表明由于误差积累，现方法难以有效探测，与现行中子探测方法相比缺乏优势。另外参照模拟过程，对试验设计也进行了一些研究。