针对高放射性材料微观缺陷研究的正电子湮没寿命谱表征技术及应用

Investigating the behavior of the nanoscale defects is of primer importance to determine the life of nuclear materials and ensure the safety of the reactor. But the plenty amount of gamma-ray emission from radioactive nuclides in nuclear materials after being used in a reactor, is the main reason making positron annihilation lifetime measurements not applicable to the study of high radioactive materials. The present research intends to develop a new, high-efficient, triple-coincidence positron lifetime measurements system, so as to meet the demands of measuring such materials with different types of nuclides and with different activities. After debugging with the cobalt-60, the established system will be used to investigate the properties and the evolution mechanism of micro-defects in RPV steels irradiated with high dose of neutrons. Some achievements based on the application of this new positron lifetime spectrometer is highly expected in this project.

应用正电子湮没寿命谱技术研究核结构材料中微观缺陷的演化机理，对核结构材料的寿命评价以及反应堆的安全保障具有重要意义。但反应堆用核结构材料中含有多种放射性核素，经衰变产生的伽马射线是导致正电子湮没寿命谱测量技术无法应用于这种材料结构微观缺陷研究的主要原因。针对反应堆高放射性结构材料微观缺陷表征及其演化机理的研究，本项目拟发展三重符合正电子湮没寿命谱测量技术，建立一套科学高效的、适合不同种类和活度放射性核素的正电子湮没寿命谱测量系统，通过Co-60放射源的模拟实验，系统地开展高活化RPV钢微观缺陷及演化机理的研究，为高放射性核结构材料微观缺陷研究提供基础实验数据和有效的实验表征方法。

正电子湮没谱学是研究材料原子尺度微观缺陷的特色手段，具有“自动”寻找缺陷、检测灵敏度高等其他方法无法比拟的特点。核结构材料普遍存在由于中子辐照产生缺陷而对材料性能造成劣化的问题。中子辐照后 RPV 钢内部含有的高放射性核素对传统的正电子湮没寿命测量技术提出了更高的要求。本项目提出一种新的三重符合方法，在常规寿命谱仪时间测量电路的基础上，通过增加符合判选电路，准确判断停止和符合探测器中信号是否为同一湮没事例，并对时间测量电路中的时幅转换器进行开门，从而实现三重符合并确保排除材料中放射性核素释放伽马对测量的影响。基于这种方法，配合高探测效率、时间响应快的符合探测器，建立了“三重符合”正电子湮没寿命谱测量系统；并从提高计数率和符合效率入手，对系统的性能进行优化和评估。利用研制的系统开展相关的应用研究，为高放射性核结构材料微观缺陷研究提供基础实验数据和有效的实验表征方法。.项目研究中完成了基于三重符合方法的正电子湮没测量系统的研制及系统搭建，完成了探测效率、符合效率优化工作，最终谱仪分辨率达到198ps，与常规双探测器正电子湮没寿命谱仪分辨率基本一致，满足测量需求。三重符合在60Co/22Na活度比为4.59时符合计数率可以达到2.90cps/μCi。同时研究了符合时间窗的选择对测量结果的影响，确定了在60Co影响下1ns宽度的时间窗可以实现不影响符合效率的条件下有效屏蔽60Co信号。通过研究晶体类型与尺寸结构与探测器性能关系研究，开发了高能量分辨、高探测效率的符合探测器。设计了用于高活度放射样品的屏蔽体装置和测量装置。这些研究结果为正电子谱学技术在高活化样品的微观缺陷表征领域的应用提供了方法依据与数据基础。