發(fā)布時(shí)間：2020-05-04 05:43

【摘要】：在核反應(yīng)堆中,中子對(duì)核能的釋放起著關(guān)鍵作用,中子能譜是非常重要的特征參數(shù),在評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)核參數(shù)方面都有著重要意義。因此,中子能譜的測(cè)量是反應(yīng)堆監(jiān)控中最重要的內(nèi)容之一。快中子臨界裝置屬于實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的一種,用于開(kāi)展臨界實(shí)驗(yàn)。目前常用于快中子能譜測(cè)量的方法主要有飛行時(shí)間法、活化法、氫反沖法及核反應(yīng)法,其中飛行時(shí)間法的測(cè)量能區(qū)廣、精度高,但設(shè)備龐大且不適用于臨界裝置這種不能確定中子起始時(shí)間的應(yīng)用場(chǎng)景;活化法操作簡(jiǎn)單且對(duì)儀器設(shè)備要求不高,但所得中子能譜精度不高;氫反沖法通常使用~3He球形正比管結(jié)合液體閃爍體,設(shè)計(jì)及操作都較為復(fù)雜;核反應(yīng)法通常利用~6Li(n,α)反應(yīng)制成~6LiF夾心中子能譜儀,其體積小、測(cè)量范圍大且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,測(cè)量的準(zhǔn)確性決定于所使用的探測(cè)器。目前最常于夾心中子譜儀的探測(cè)器有常規(guī)Si/Ge半導(dǎo)體探測(cè)器、金硅面壘型探測(cè)器和4H-SiC探測(cè)器,其中常規(guī)Si/Ge半導(dǎo)體探測(cè)器抗輻射性能差且受溫度變化影響大、金硅面壘型探測(cè)器對(duì)α粒子分辨率較差、4H-SiC探測(cè)器無(wú)法對(duì)4MeV以上的中子進(jìn)行能譜測(cè)量,使用這些探測(cè)器都難以在快中子臨界裝置的環(huán)境下達(dá)到其最佳測(cè)量效果。針對(duì)上述現(xiàn)狀,本文首次提出了一種基于PIPS探測(cè)器(Passivated Implanted Planar Silicon detector,鈍化離子注入平面硅半導(dǎo)體探測(cè)器)的~6LiF夾心中子能譜儀的研制方案,以解決快中子臨界裝置中子能譜的測(cè)量問(wèn)題。PIPS探測(cè)器具有耐輻照、耐高溫、漏電流小、α粒子能量分辨率好、入射窗穩(wěn)固且不需要準(zhǔn)直等優(yōu)點(diǎn),非常適用于快中子臨界裝置的測(cè)量環(huán)境。本文所研究的~6LiF夾心中子能譜儀的探頭由兩個(gè)面對(duì)面放置的PIPS探測(cè)器構(gòu)成,其間夾有一層~6LiF中子轉(zhuǎn)換層,對(duì)其進(jìn)行可行性研究,分析其工作原理,通過(guò)理論模擬分析轉(zhuǎn)換層厚度對(duì)探測(cè)效率及能量分辨率的影響規(guī)律,并闡述了探測(cè)器的對(duì)稱挑選原則。譜儀利用符合測(cè)量原理,對(duì)~6Li(n,α)反應(yīng)生成的次級(jí)帶電粒子——α粒子和T粒子所產(chǎn)生的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行篩選,排除干擾粒子的影響,有效提高譜儀的探測(cè)準(zhǔn)確性。利用“和譜分析法”,將α粒子和T粒子引起的脈沖信號(hào)幅度相加并解譜,得到中子能譜。硬件設(shè)計(jì)方面摒棄過(guò)去常用的門(mén)電路,以FPGA為控制核心,輔以放大整形電路、模擬電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及FPGA數(shù)字信號(hào)處理電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的處理及符合。通過(guò)在CFBR-II堆上開(kāi)展的熱中子測(cè)量實(shí)驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證,因涉及保密,故無(wú)法完全展示準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù),只能通過(guò)圖片展示相關(guān)的測(cè)試結(jié)果。以~(239)Pu和~(241)Am混合α源對(duì)雙PIPS探測(cè)器進(jìn)行性能測(cè)試,所得α譜的峰位、峰半寬度基本一致,驗(yàn)證了探測(cè)器PIPS1和PIPS2符合夾心譜儀對(duì)于探頭的對(duì)稱性要求;同時(shí)對(duì)比用金硅面壘型探測(cè)器和4H-SiC探測(cè)器制成的夾心譜儀對(duì)α粒子及T粒子的探測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了PIPS探測(cè)器的良好性能;最后對(duì)兩個(gè)PIPS探測(cè)器的符合相加信號(hào)脈沖幅度譜進(jìn)行解譜,獲得求和符合譜,首次驗(yàn)證了可以利用PIPS探測(cè)器制成性能良好的~6LiF夾心中子譜儀,為高精度中子能譜的測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

對(duì)于它們的測(cè)量顯得尤為重要（Steven L.Bellinger，2012）。947 年起，美國(guó)就建立起了多個(gè)臨界裝置，目的是為了進(jìn)行核，LANL 已經(jīng)建立了十多個(gè)臨界裝置以及上百個(gè)臨界和次臨界數(shù)百次的臨界實(shí)驗(yàn)，獲得了大量相關(guān)的臨界數(shù)據(jù)，其中包括：、中子注量和反應(yīng)率、反應(yīng)性系數(shù)、中子能譜、臨界質(zhì)量等等各器研制的臨界安全檢驗(yàn)以及核武器設(shè)計(jì)中計(jì)算程序和群常數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。前蘇聯(lián)于 20 世紀(jì) 40 年代起也開(kāi)始著手建立臨界以千萬(wàn)次的臨界實(shí)驗(yàn)，并用于對(duì)二維計(jì)算程序和中子數(shù)o Bedogni，2010；M.Angelone，2014）。關(guān)于反應(yīng)堆的物理計(jì)算中，，有幾個(gè)很重要的特定物理概念，接單介紹。是中子的微觀截面。核反應(yīng)方程描述的是一個(gè)粒子和核相互作單從反應(yīng)方程來(lái)看，沒(méi)有辦法了解與某體積內(nèi)物質(zhì)中發(fā)生這一數(shù)量。

利用中子能譜和截面數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算可以得到很多信息，例如裝置的中子場(chǎng)的平均反應(yīng)截面以及中子注量等等，很多裝置都會(huì)對(duì)這些相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，它們都與中子能譜息息相關(guān)，所以說(shuō)中子能譜的測(cè)量是十分必要的；中子能譜還可以用來(lái)檢驗(yàn)核數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)的準(zhǔn)確性或是校正各種截面參數(shù)；點(diǎn)截面、群參數(shù)等信息也能利用中子能譜從理論上計(jì)算獲得；另外還能通過(guò)核反應(yīng)產(chǎn)生的中子能譜而得到核能級(jí)的相關(guān)數(shù)據(jù)�？偠灾凶幽茏V的測(cè)量一直以來(lái)都是中子場(chǎng)相關(guān)參數(shù)測(cè)量的難點(diǎn)和重點(diǎn)，特別是對(duì)于核武器和反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)而言，各類中子源的中子能譜測(cè)量都是必不可少的（楊成德，1995；吳健，2014）。例如電子元器件的輻照實(shí)驗(yàn)通常需要在快中子臨界裝置中進(jìn)行，如圖 1-2 所示為常用的半導(dǎo)體材料 Si 的位移損傷函數(shù)。電子元器件的損傷情況通常使用平均位移損傷函數(shù)來(lái)表示，不同的中子能譜對(duì)于電子元器件的損傷情況也是不同的。因此中子能譜的測(cè)量對(duì)于在模擬源上開(kāi)展電子元器件輻照實(shí)驗(yàn)而言是至關(guān)重要的（吳健，2014）。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH842

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2648184