抽注水多层同心球宽量程新型中子能谱探测器研究

The purpose of this research is to improve and optimize the design of Water-pumping-injection Neutron Spectrum Detector with Multi-homocentric Spheres (WNSDMS). First, a neutron spectrum response function will be built with all sorts of favorable mathematical methods to analysis the data of Monte Carlo simulation and actual measurement. Secondly, a correction method will be created by multiple scattering, angle resolution and fluence rate decay effect. Thirdly, a neutron unfolding spectrum method will be obtained combines least square method and genetic algorithm after calibration of energy and efficiency. Finally, a WNSDMS system will be developed for the design and use of measurement systems. This research aims to resolve some basic but critical technical issues in the development and applications of WNSDMS, It would have profound and broad impacts on not only the WNSDMS technology, but also have a remarkable effect on neutron spectrum measurement and dose survey in lots of situation such as study of neutron in space; accelerator, reactor, nuclear power plant and environmental radiation monitoring in the ground.

在综合现有多球中子能谱测量研究成果的基础上，采用蒙特卡罗和实际测量相结合的方式研究抽注水多层同心球中子能谱探测器水层与能谱之间的响应关系，利用多种数学方法，对MC模拟和实验测量数据进行分析、比较和相互印证，建立中子能谱响应模型，研究多次散射、角分辨和注量率衰减等多种效应校正方法，开展最小二乘法和遗传算法相结合的解谱方法研究、以及能量刻度和效率刻度模型研究，最终获得抽注水多层同心球中子能谱测量的相关技术和系统研究成果。本项目以开展中子能谱测量的应用基础研究为出发点，以实现抽注水中子能谱测量方法为创新点，其成果不仅可以推动我国中子能谱测量技术的发展，而且有利于在太空中研究空间中子，在地面上加速器、反应堆、核电厂、环境辐射监测等辐射应用场所对中子能谱测量、剂量监控等有着积极的作用，其应用前景广泛。

在综合现有多球中子能谱测量研究成果的基础上，利用蒙特卡罗方法设计了抽注水多层同心球中子能谱探测器结构，该探测器以水作为主要中子慢化材料，铅作为辅助材料，通过不同层的同心球壳内注水或者抽水来改变慢化厚度，球中心放置一个He-3正比计数器，采用非均匀的水层组合构成了不同的探测球阵列，相当于“多球”中子能谱探测器，通过模拟获得了该探测器32（2^5）种抽注水情况的响应矩阵函数；采用均匀分布能谱、热中子Maxwell谱、单能中子谱组合、Cf-252 瞬发裂变中子谱、D2O慢化的Cf-252国际标准中子能谱、均匀分布能谱与单能中子谱相组合的能谱、以及均匀分布能谱与裂变谱相结合等7种常见中子能谱开展研究，获得了抽注水多球中子能谱探测器不同梯度下水层对中子的探测效率；将时间代价函数和局部映射算子相结合，建立了一种基于遗传算法的时间优化算法模型，极大地缩短了测量时间，提高了测量效率；建立了自适应差分进化中子能谱展开算法，该算法利用优质个体和进化失败个体信息对算法的进化方向提高良好的指导和保护，使其避免陷入局部最优而快速达到迭代停止条件，并通过缩放因子F和交叉概率CR基于历史经验信息的自适应控制技术，对算法提供自适应控制，从而减少了参数调试，提高了输出解的质量和缩短了运行时间，该自适应差分算法经抽注水多层同心球中子能谱探测器模拟获得的Cf-252能谱验证，在没有先验能谱的条件下，综合能谱展开性能优于UMG3.1中MAXED方法和GRAVEL方法。最后将各项新方法和新技术研究成果集成，开发了抽注水多球中子能谱测量软件系统，实现了对中子能谱的准确测量及分析。该成果不仅可以推动我国中子能谱测量技术的发展，而且有利于在中子辐射场所长期对中子能谱、中子剂量等测量监控有着积极的作用，其应用前景广泛。