基于氧非弹γ的测井用脉冲D-T中子源产额现场检测方法研究

The small pulse D-T neutron generator(source) is widely employed in the field of mineral resource logging, explosive detection and neutrography. Due to lack of effective in-situ test method and means of this neutron source yield, it causes the early decommissioning or ultra-long service problems of neutron source. Therefore, the project provides a new method that fast neutrons interact with oxygen and it produces inelastic γ ray, which can deduce the neutron resource yield. As a result, the project combines the methods of theoretic analyses, simulation calculation and experiment measurement and also analyzes the relationship in time and energy distribution between different γ rays, which are generated by inelastic scattering, capture and activation. It is because fast neutron from D-T neutron source collides oxygenated matrices. It reveals oxygen.inelastic scattering γ ray varying tendency with neutron source. And it provides theoretical basis for measuring neutron resource yield. Through these methods such as pulse synchronization measurement technology and deconvolution decomposition method, γtime spectrum information which is caused by single pulse neutron can be fetched and small pulse D-T neutron source yield calculation method can be built that is based on oxygen inelastic scattering γmethod. Moreover, on the basis, a set of small pulse D-T neutron yield in-situ measurement equipment can be.developed. Meanwhile, the correction method will be found that non oxygen elements in oxygenated matrices generate influence to γ ray in order to verify quantity testing methods. The project research result is conducive to application and promotion of small pulse D-T neutron source. Therefore, it has important academic and applied worth。

针对目前小型脉冲D-T中子源在使用中缺少有效的现场检测方法和手段，用户无法在现场准确判断脉冲D-T中子源性能，使得脉冲D-T中子源提前退役造成经济损失，或超长服役引起解释结果错误的问题。本项目以快中子与氧元素相互作用的物理机理为基础，结合理论分析、实验测量及模拟计算等手段，分析14 MeV的快中子轰击不同含氧介质中非弹、俘获以及活化γ射线在时间和能量分布上的关系，揭示含氧介质中氧非弹γ随源中子的变化规律；通过脉冲同步测量技术、信号反卷积法等技术手段提取单脉冲氧非弹γ信息，提出基于氧非弹γ法的小型脉冲D-T中子源产额计算方法；并在上述研究的基础上研制一套小型脉冲D-T中子源产额现场检测装置，对其产额计算方法进行验证。其研究成果将实现小型脉冲D-T中子源现场测试与评价的目标，并对D-T中子源研制和应用技术的发展，均具有十分重要的学术价值和实用意义。

小型D-T中子源作为中子物理及中子应用技术研究的重要工具，以可控性强、单色性好、使用方便等特点受到世界各国的广泛重视。伴随小型D-T中子源的使用，中子地层元素测井已逐渐成为地质勘探行业的主要测井手段之一。目前工业中使用的小型D-T中子源的产额检测需要在中子实验室中进行，在野外工作过程中无法简单快速获取中子源的实时产额。对于测井行业而言，缺少一套能够在野外开展小型D-T中子源产额检测的装置，为野外测井工作的开展带来了较大的麻烦。. 项目应用MCNP程序建立脉冲快中子与含氧介质作用蒙卡计算模型，模拟D-T中子源发射14MeV中子时探测器在B2O3、CaO、Fe2O3、H2O、TiO2、PMMA和CuO等7种含氧物质中的作用情况，获得研究所需脉冲快中子与含氧介质作用的相关信息，包括不同含氧介质中γ射线能量的分布关系、源中子在不同厚度含氧介质中的分布规律以及实验装置制作的最优化尺寸，经模拟得出装置厚度、长度变化对探测器探测氧非弹γ计数率的影响，进而确定了理想情况下装置的最优化尺寸及最优化物质。.通过上述研究结合理论分析、实验测量及模拟计算等手段，揭示了含氧介质中氧非弹γ随源中子的变化规律，建立基于氧非弹γ法的复杂环境下D-T中子源产额的计算方法。同时研建了B2O3、CaO、TiO2和有机玻璃（PMMA）材质构成脉冲快中子与含氧介质作用的模型装置，配合中国原子能科学研究院小型中子实验室中提供的中子源和BGO闪烁晶体探测器构成脉冲快中子与含氧介质作用的实验装置。研究结果表明：在理想环境下，当装置的设计尺寸为内径Φ1=100mm，外径Φ2=200mm，长度L=250mm时，探测器探测到氧非弹γ计数率达到最优值，装置可选的最佳物质为B2O3；在模拟现场环境的实验中，装置使用厚20mm模具、含氧物质为CaO时，探测器探测氧非弹γ射线的探测效率最高。. 研究成果可有效解决小型脉冲D-T中子源现场测试与评价的问题，提高测井用脉冲D-T中子管的利用率，对D-T中子源研制和应用技术的发展，均具有十分重要的学术价值和实用意义。