基于瞬发伽马中子活化分析技术的中子能谱测量方法研究

Neutron spectrometry measurement is an important research content in neutron physics. It has important significance and research value in many application fields such as reactor design, neutron cancer treatment and neutron radiation protection. And it has always been a hot topic in frontier research. In order to solve the problems of low energy resolution, limited energy response range and dependence on the initial spectrum in the process of neutron spectrometry measurement, in this project, the Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis (PGNAA) technique was used to determine the neutron spectrum. If the sample's composition is known, because the reaction cross-sections are varied with neutron energy, the intensities of prompt gamma-rays carry the information about incident neutron energy spectrum. With the gamma-rays recorded by the detector, the neutron spectrum can be determined. Aiming at the n/γ discrimination problem, the effect of background gamma ray can be reduced by studying the effective gamma-rays spectrum processing method. Alternatively, based on the principle of maximizing the effective information difference, Monte Carlo simulation software is used to obtain the response function and to optimize the design of the device. And the corresponding spectrum unfolding method is used to obtain the neutron spectrum by the response function and the measurement results. On this basis, the neutron spectrometry measurement method based on PGNAA technology is formed to realize the fast and accurate measurement of neutron energy spectrum, which provides method basis and theoretical support for the application of PGNAA technology in the field of neutron spectrometry measurement.

中子能谱测量是中子物理学中一项重要的研究内容，在反应堆设计、中子治癌及中子辐射防护等诸多应用领域具有重要意义和研究价值，一直以来都是前沿研究热点。为解决中子能谱测量中能量分辨率低、能量响应区间有限、解谱过程依赖初始谱等问题，本项目基于瞬发伽马射线中子活化分析技术（PGNAA），利用伽马探测器记录中子与被测样品作用过程中放出的瞬发特征伽马射线，反推样品位置处的中子能谱。针对测量过程中的n/γ甄别难题，通过对伽马能谱的有效核信息提取方法的研究，减小背景伽马射线的影响，解决测量中伴随伽马射线干扰的问题。同时，基于有效信息差异最大化的思想，利用蒙特卡罗模拟计算软件，获得其对不同能量中子的响应函数，对测量装置进行优化设计，并建立相应的中子能谱解析方法。在此基础上，形成基于PGNAA技术的中子能谱测量方法，实现中子能谱的快速准确测量的目的，为PGNAA技术在中子能谱测量领域的应用提供方法依据及理论支撑

中子能谱测量是中子物理学中一项重要的研究内容，在反应堆设计、中子治癌及中子辐射防护等诸多应用领域具有重要意义和研究价值，一直以来都是前沿研究热点。.本项目中提出了基于瞬发伽马射线中子活化分析技术中子能谱测量方法，即利用伽马探测器记录中子与物质相互作用过程中在极短时间（约10-14s）内放出的瞬发特征伽马射线，当与中子相互作用的样品的元素及其含量已知，则探测器记录的特征峰计数与样品位置处的中子注量率随能量的分布，即中子能谱相关。通过分析特征伽马射线可以反演入射中子能量的相关信息。.基于上述原理，本项目主要完成了以下三方面工作：.（1）基于双探测器差谱法结合瞬发伽马射线测量，提出了热中子注量率测量方法，并利用镉片和碘化钠探测器搭建了热中子注量率测量装置；.（2）提出了中子-伽马射线转换体的材料选择与结构设计原则，依照该原则搭建了基于高纯锗探测器的中子能谱测量装置，并对不同慢化条件下的Cf-252及DT中子源的中子能谱进行实验测量，并与模拟及活化箔法的测量结果进行对比，一致性良好，验证了该方法的可行性与准确性；.（3）将人工智能算法-粒子群优化法应用于中子能谱解谱，降低了解谱过程对初始预置谱的依赖，并提高了解谱速度与结果的准确性。.本项目建立基于PGNAA技术的新型中子能谱测量方法，明确其中的物理机制，提出了中子-伽马射线转换体设计优化原则，并针对性地建立伽马能谱有效信息获取方法和基于人工智能算法的中子能谱解谱方法。设计并搭建了基于高纯锗探测器和中子-伽马射线转换体的能谱测量装置，对不同慢化条件下的Cf-252中子源及DT中子发生器能谱实现了快速测量与准确重建，实现了在不同应用场景中对中子能谱的快速准确地测量。