利用飞行时间方法测量快中子能谱
多气隙电阻板室快中子探测器性能模拟
８ ６ ２
性气体（ 保证其工作在雪崩模 式下） 高压 加在 ， 最 外层 电阻 板 上 形 成 强 电场 ， 内层 电阻 板 电位
浮 置 。在 每层 内 电阻 板 上 贴 一 层 聚 乙烯 膜 ， 作
为中子转换 体 。当中子入 射时 ， 由于聚 乙烯 中
含 有 大量 的 氢 元 素 ， 中子 与 其 发 生 弹性 散 射 产
Hale Waihona Puke 生质子 ， 反冲质子在气体 中电离产生电子一 离子 团， 电子在强电场作用下雪崩放大 ， 在各个气隙 中作 漂移运 动 ， 在 读 出极 上 感 应 出 电荷 。探 并
在 电 阻 板 室 探 测 器 Ｉ Ｃ（ ｓｓｉｅＰａｅ Ｒｅｉｔ ｌｔ ｖ
Ｃ ａ ｅ 基础上发展起来 的多气 隙电阻板 室 ｈｍｂｒ ）
探 测 器 ＭＲＰ （ ｌ—ａ Ｒ ｓ ｔ ｅ ｌｔ Ｃ Ｍｕｔｇｐ ｅｉ ｉ Ｐａｅ ｉ ｓｖ
快 中子 的响应 灵敏度 。基本 原理是 在 ＭＲ Ｃ Ｐ 的电极玻璃表面加聚乙烯薄层 ， 中子与其相互
作用产生的次级质子进人工作气体中 ， ＭＲ 使 ～
Ｐ Ｃ的工作气体电离 ， 电离产生的电子和离子在 强 电场作用下 向两极漂移时在气体 中雪崩放大
并 在 收集 极 感应 出电荷 。 由于 中子 在 聚 乙烯 中
Ｃ ａ ｅ 具有结构简单 ， ｈｍｂｒ ） 探测效率高 （９ ） （５ ， 时间分辨率好（１Ｏ ｓ ， （Ｏ ｐ）价格低廉等优点 ， 广泛 应用于高能物理实 验 中。美 国能 源部 （ Ｏ ） Ｄ Ｅ
测器 的时 间分 辨 率 主 要 受 气 隙 厚 度 的影 响 ， 只
中子能谱测量中的解谱技术研究进展
㊀第42卷㊀第4期2022年㊀7月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation ProtectionVol.42㊀No.4㊀㊀July 2022㊃综㊀述㊃中子能谱测量中的解谱技术研究进展黄迁明,刘㊀斌,陆㊀婷,王㊀波,唐松乾,吕焕文,应栋川,翟梓安(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室,成都610213)㊀摘㊀要:中子能谱解谱技术为中子能谱测量系统必要的组成部分,近几十年来国内外开展了大量研究㊂本文首先介绍了中子能谱常规解谱流程,包括解谱模型㊁响应函数㊁解谱误差等内容;接着详细介绍了国内外中子能谱测量技术研究现状以及中子能谱解谱算法研究现状,包括比较成熟的最小二乘算法㊁最大熵算法等,也有新兴的神经网络算法㊁遗传算法等,总结了不同解谱算法的特点;接着介绍了根据不同解谱算法发展的解谱程序,对比了不同解谱算法及程序的优缺点,基于最小二乘算法开发的SAND 系列程序和基于最大熵算法开发的MAXED 程序是解谱功能强大㊁使用最广泛的程序;最后梳理了中子能谱解谱方法的发展脉络,总结了国内和国外研究的区别,未来开发包含多种解谱方法的综合性解谱程序具备较强的应用需求㊂关键词:中子能谱测量;中子能谱解谱方法;广义最小二乘算法;最大熵算法;蒙特卡罗算法;压缩感知理论中图分类号:TL8;O571.54文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2021-07-21作者简介:黄迁明(1992 ),男,2015年毕业于四川大学核工程与核技术专业,2020年毕业于北京大学粒子物理与原子核物理专业,获博士学位,工程师㊂E -mail:qianming.huang@通讯作者:刘斌㊂E -mail:liubin871204@㊀㊀中子能谱测量是中子探测学的重要组成部分[1-4],主要用于获取准确的中子能谱信息,通过相应解谱算法的研究,可在一定程度上提高实验测量的精度,且解谱算法性能的提高有助于在有限测量条件下降低探测系统硬件的要求,在各类核装置的设计和运行㊁辐射防护计量学和屏蔽验证㊁核军备控制以及反恐等应用中发挥着关键作用㊂近年来,在核不扩散和核军备反恐安检的大应用背景下,基于中子能谱的核素识别技术对于核材料准确㊁高效的识别具有很强的优势[5-9],国内外在中子能谱的解谱方法上进行了广泛研究㊂中子能谱测量难度较大,主要面临中子能谱差异大㊁中子能量跨度区间大㊁伽马本底干扰㊁中子场的统计涨落和测量系统噪声等问题[10-12]㊂目前中子能谱测量的手段主要有:飞行时间方法[13]㊁有机闪烁体测量方法[14-19]㊁多球谱仪方法[20-23]以及多箔活化方法[24-26]等㊂除飞行时间法外,其余三种测量方法的中子能谱均不能直接获取,而是需要结合探测系统的响应函数从测量值中进行解谱获得,即通过探测器探测到一个输入能谱,根据探测器对不同中子的响应特性,反推出测量点的真实能谱㊂现阶段能谱测量的难点主要由探测器测量数据统计误差㊁测量系统的噪声干扰㊁解谱函数不具有唯一解以及先验谱的可靠性造成,通过优化探测系统和解谱算法能一定程度上提高中子能谱测量精度㊂1㊀国内外中子能谱解谱方法研究现状1.1㊀解谱模型㊀㊀在经典的解谱模型中,对于有机闪烁体㊁多球谱仪以及多箔活化测量系统,探测器测量结果均可用式(1)所示的第一类Fredholm 积分方程表征[27-28]:M i ʃεi =ʏE max E minR i (E )ϕ(E )d E (1)式中,M i 为探测器计数,对于有机闪烁体测量系统,其为第i 道闪烁光子脉冲高度;对于多球谱仪测量系统,其为第i 个慢化球对应的热中子探测器计数;对于多箔活化测量系统,其为第i 个活化箔辐照结束后的放射性活度;εi 为测量结果的不确定度,其通常与探测器计数的统计特性㊁中子场统计涨落以及测量系统电子学噪声等因素相关;R i㊃562㊃㊀辐射防护第42卷㊀第4期为第i 个探测器的中子能量响应函数,对于有机闪烁体测量系统,其为第i 道多道不同中子入射产生的闪烁光子脉冲高度分布;对于多球谱仪测量系统,其为第i 个慢化球对应的中子能量响应函数;而对于多箔活化测量系统,其为第i 个活化箔对应的活化反应的多群截面;ϕ(E )为所要求解的中子能谱㊂而求解式(1)面临诸多困难,包括:(1)方程组不具有唯一解;(2)误差引起解的剧烈震荡,从而造成求解的失败;(3)探测器计数的统计特性㊁测量系统的噪声及中子辐射场本底造成求解困难;(4)解的非负值约束㊁系统响应不确定性的传递等问题㊂因此,该类问题在测量领域被称为 逆问题 ,利用测量系统的响应函数对真实能谱进行倒推成为解谱的新思路㊂1.2㊀响应函数获取响应函数的获取是中子能谱解谱的前提,针对不同的中子能谱测量方式可以制定对应的响应函数测量方法,一般有实验测量方法和理论计算结合实验标定方法㊂1.2.1㊀实验测量㊀㊀在有机闪烁体测量实验中,通常的手段主要采用单色性较好的加速器中子源结合飞行时间法对中子能量进行甄别,比如Lawrence 等人[29]采用加速器中子源结合飞行时间窗对EJ -309和EJ -299-33有机闪烁体的响应函数进行测量得到图1的响应函数㊂而在多球谱实验中,主要的实现方法是采用加速器中子源结合慢化材料以实现不同能量中子的响应函数标定,同样采用飞行时间方法对中子能量进行甄别,图2为Pioch 等人[30]采用加速器中子源对多球谱仪系统进行能量标定的方案㊂图1㊀EJ -309和EJ -299-33有机闪烁体相关能点的系统响应函数Fig.1㊀Response functions for organic scintillator EJ -309and EJ -299-331.2.2㊀理论计算结合实验标定㊀㊀在有机闪烁体测量实验中,Dickens 等人[31-32]开发了基于蒙特卡罗算法的SCINFUL㊁NRESP7等程序进行闪烁体响应函数计算,但它们仅适用于圆柱几何,且无法描述复杂的粒子源分布㊂2007年,Pozzi 等人[33-34]基于MCNP 程序开发了MCNP -PoliMi㊁MCNP -PHOTRACK 等程序,其可对探测器的复杂几何结构进行描述且可描述复杂分布的中子源,其中MCNP -PoliMi 程序计算的系统响应函数如图3所示[33],由于其采用耦合计算的策略,后处理的工作量十分巨大㊂2014年,Hartwig 等人[35-37]建立了基于Geant4程序的有机闪烁体中子物理过程模拟方法,并成功应用于EJ -301有机闪烁体的系统能量响应函数及粒子甄别情况的模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,如图4所示[37]㊂而在多球谱实验中,随着Monte-Carlo 计算方法的发展,采用MCNP 和Geant4程序进行多球谱㊃662㊃黄迁明等:中子能谱测量中的解谱技术研究进展㊀图2㊀采用加速器中子源标定多球谱仪能量响应方案Fig.2㊀Programme for using accelerator based neutron source to calibrate multi-spherespectrometer图3㊀采用MCNP-PoliMi 程序计算的系统响应函数Fig.3㊀System response functions usingMCNP-PoliMi图4㊀EJ -301有机闪烁体系统响应Geant4模拟Fig.4㊀Geant4based system response function for organic scintillator EJ -301仪系统响应函数计算的研究越来越多,图5(a)㊁5(b)为Mares 等人[22]采用MCNP 对不同热中子探测器6LiI(Eu)和3He 正比计数管多球谱仪能量响应函数的模拟结果㊂Geant4程序由于其具备对高能物理过程的模拟能力,近年来研究者们建立了基于Geant4程序进行多球谱仪系统能量响应函数的计算方法,图5(c )为Garny 等人[38]采用Geant4程序对10-11~100MeV 能量范围内多球谱仪能量响应函数的模拟㊂与有机闪烁体测量方法㊁多球谱仪测量方法㊃762㊃㊀辐射防护第42卷㊀第4期图5㊀多球谱仪系统响应函数MCNP 模拟以及Geant4模拟结果Fig.5㊀Multi-sphere spectrometer system response functions from MCNP and Geant4不同,多箔活化测量方法的能量响应函数为多箔活化材料的中子多群活化截面,能量响应函数的获取本质上为活化材料中子多群活化截面的制作㊂早在1969年,McElroy 等人[26]建立了用于SAND 程序解谱的640群活化截面㊂2008年,中国工程物理研究院的邓勇军等人[39]针对厚活化㊀㊀㊀㊀箔和活化箔包裹热中子吸收材料后多群截面的修正方法开展了相关研究,得到不同厚度(0.048mm㊁0.28mm)Au 活化箔640群多群截面和包裹0.5mm 厚度Cd 的Au 活化箔修正截面,理论和实验符合较好,如图6所示㊂图6㊀179Au 活化箔多群截面修正Fig.6㊀Correction for the multiple groups cross-section from179Au activated foil1.3㊀解谱不确定度㊀㊀中子能谱测量的误差主要来自两方面:一是输入数据的不确定度,二是用于描述物理过程的数学模型近似表示的不确定性以及算法本身缺少唯一解等,一般假设数学模型近似表示的不确定性可以忽略㊂Manfred Matzke [40]于2002年提出了针对最小二乘法和最大熵方法的中子能谱解谱误差传递方法,最小二乘算法可通过数学推导由先验谱㊁活化率㊁截面等信息的协方差数据精确给出中子能谱的不确定度,但该方法限制较多通用性不强,SAND 程序的适用性更强,但其中子能谱不确定度相对不完善,通常采用不考虑先验谱的影响和截面协方差的蒙特卡罗抽样方法,或将相关输入量的不确定度按相关性为零的假设进行处理,给出合成不确定度,其他解谱方法的误差处理方式类似㊂2009年,王松林等人[41]在采用多箔活化法测量Am-Be 中子源屏蔽辐照腔内的中子能谱时,考虑了初始谱引入的误差㊁解谱所用的截面误差㊂在活化箔片灵敏区不能覆盖或覆盖较弱的能区,最后的解谱对初始谱有很大的依赖,而在活化箔片灵敏区覆盖较好的能区,最后的解谱对初始谱依赖较小;不同的截面库之间存在微小差异,一般通过选取合适的截面库进行解谱,这部分误差可㊃862㊃黄迁明等:中子能谱测量中的解谱技术研究进展㊀忽略㊂2015年,陈晓亮等人[42]基于广义最小二乘法开发了NSAGLS程序并进行了误差分析,在考虑了输入谱㊁核反应截面及测量活度不确定度导致的误差后,解谱效果良好㊂2016年,李达等人[43]针对SAND-II程序解谱过程提出了一种基于先验谱㊁活化率和截面协方差的不确定度蒙特卡罗分析方法,首先建立基于线性变换的截面协方差抽样方法,然后利用MCNP计算误差,使用迭代方法估计先验谱的不确定度,最后结合活化率的测量不确定度,利用蒙特卡罗抽样方法计算中子能谱的不确定度,与传统方法计算的不确定度比较接近㊂2㊀主要解谱算法及程序㊀㊀中子能谱的解谱方法主要有:广义最小二乘算法㊁奇异值分解和正则化算法㊁最大熵算法㊁贝叶斯算法㊁蒙特卡罗算法㊁遗传算法㊁神经网络算法㊁MLEM算法以及基于压缩感知理论的中子能谱解谱方法,具体情况列于表1㊂表1㊀常用解谱程序介绍Tab.1㊀Neutron spectrum unfolding packages㊀㊀广义最小二乘算法由于发展成熟,目前已有大量解谱程序应用,其他解谱方法由于数学上的复杂性以及发展历史较短的缘故,基于其开发的解谱程序较少,而对于其他一些较新的方法,如神经网络算法以及压缩感知方法,目前研究者们仅对其建立了相应的算法,而未专门开展相关的程序开发㊂2.1㊀广义最小二乘算法㊀㊀早在1964年,Gold等人[44-45]就提出采用解谱计算值和实验测量值之间的最小二乘偏差作为求解目标,通过迭代策略的设置来保证解的非负性进行中子能谱解谱㊂2010 2015年,陈晓亮㊁孙征等人[46-47]基于广义最小二乘原理对迭代策略进行了修正并开发了程序NSAGLS和2NP㊂随后Chen等人[42]在有机闪烁体测量实验中采用GRAVEL算法进行了解谱研究,采用GRAVEL程序对测量结果进行了解谱处理,解谱结果与参考解基本吻合,如图7所示㊂Seghour等人[48-49]在2001年采用SAND-II程序对ANO例题进行了解谱研究,中国工程物理研究院在2014年开展了采用多箔活化方法对中物院某临界装置的中子能谱测量实验,并采用SAND-II程序对测量结果进行了解谱研究,得到不超过2%的偏差,证明了SAND-II解谱的准确度,如图8所示㊂广义最小二乘法通过将计算值和实验测量值之间的最小二乘偏差作为求解目标,从而将中子能谱解谱问题转化为围绕先验值的拟合问题,先验信息通常作为迭代的初值进行使用㊂目前应用最广的迭代策略为GRAVEL算法,以GRAVEL算法作为核心的解谱程序主要有SAND系列程序,主要包括SANDC㊁SAND㊁SAND-II㊁MSAND等㊂广义最小二乘解谱算法在有机闪烁体㊁多球谱仪和多箔活化中子能谱测量实验中进行了广泛的应用,其解谱结果与参考解吻合较好,对于闪烁体解谱的超定问题,该方法对与矩阵病态问题的适应能力尚有提高空间,解谱结果呈现出一定的震荡性;对于多球谱仪以及多箔活化解谱的欠定问题,求解准确程度对迭代的初值依赖性很大㊂㊃962㊃㊀辐射防护第42卷㊀第4期图7㊀GRAVEL 算法解谱结果Fig.7㊀Neutron spectrum unfolding results from GRAVELmethod图8㊀SAND-II 程序解谱结果Fig.8㊀Neutron spectrum unfolding results from SAND-II2.2㊀最大熵算法㊀㊀1989年,Weise 等人首次将 熵 的概念引入到解谱问题当中[50],并定义了解谱问题的熵函数,如(2)式所示:S =-ð{ϕjln(ϕj/ϕjDEF)+ϕj DEF -ϕj}(2)式中,ϕDEF为求解中子能谱的先验信息,在最大熵算法中称为预置谱;ϕj 为所求解的中子能谱,其中j 为中子能量分段数量;S 为所求的熵㊂1998年,Reginatto [51]采用基于最大熵算法的MAXED 程序对多球谱仪测量结果进行了解谱研究,多球谱仪由8个聚乙烯球组成,对普林斯顿大学等离子物理实验室的托卡马克聚变反应堆装置120m 处中子能谱进行了测量,如图9(a)所示㊂解谱结果靠近预置谱收敛,但由于测量值与理论值之间存在的偏差,造成解谱结果也与预置谱存在一定的偏差㊂Reginatto [52]于2002年针对大气层中~20km处宇宙射线激发中子的多球谱仪测量结果进行了解谱研究,Green 等人[53]于2008年采用MAXED程序对加速器驱动次临界装置的多箔活化测量结果进行了解谱研究并采用MCNP 程序对装置中子能谱进行了模拟,祝庆军等人[54]于2014年采用最大熵算法对多球谱仪测量结果开展了解谱研究,雄厚华等人[55]于2018年采用多箔活化方法对聚变包层DFLL-TBM 中子能谱进行测量,均证实MAXED 程序解谱效果与模拟值吻合较好,如图9(b)㊁9(c)㊁9(d)所示㊂最大熵算法通过求取约束条件下熵值最大的解来实现解谱,从而将解谱问题转化为优化问题,该方法可以给出非负㊁连续的中子能谱㊂最大熵方法在多球谱仪和多箔活化测量结果的解谱中应㊃072㊃黄迁明等:中子能谱测量中的解谱技术研究进展㊀图9㊀MAXED 程序解谱结果Fig.9㊀Neutron spectrum unfolding results from MAXED用较广,其对聚变㊁裂变以及放射性同位素中子源各种类型的中子能谱也具有较好的适应性㊂最大熵方法最大的特点为先验信息通过 预置谱 的方式在熵函数构造中进行使用,因此该方法又被认为是先验信息与实测信息相干性最小的解谱方法之一㊂2.3㊀贝叶斯算法㊀㊀2006年,Reginatto 等人[56]又提出基于贝耶斯分析方法进行中子能谱解谱,该方法以贝叶斯理论为基础,将中子能谱解谱问题转化为贝叶斯参数估计问题进行求解,并对多球谱仪测量结果进行解谱研究,解谱结果与Monte-Carlo 模拟结果吻合较好,相对偏差通常小于4%,如图10所示㊂2018年,Mazrou 等人[47]提出将中子注量率按热区㊁超热区以及快中子能量区间采用麦克斯韦分布㊁1/E 分布以及瓦特裂变谱的叠加:ϕ=ϕt +ϕe +ϕf(3)式中,ϕt=a tET 2e -ET 0,E ɤ0.1eV㊂图10㊀多球谱仪测量结果贝叶斯解谱结果Fig.10㊀Neutron spectrum unfolding results formulti-sphere spectrometer measurement usingBayes method ,vertical ordinate shows thenormalized neutron fluenceϕe=a e (1-e-E 2E2d)Eb -1e -Eβᶄ,0.1eV ɤE ɤ10keVϕf=a f E αe -Eβ,10keV ɤE ɤ20keV(4)式中,a t ㊁a e ㊁a f 分别代表热区㊁超热区㊁快中子能量区间能量峰的重要性;T 0为麦克斯韦分布最可几能量,取0.025eV;E d 为超热区最低能量,取㊃172㊃㊀辐射防护第42卷㊀第4期0.0707eV;b 和βᶄ分别为控制曲线上升和下降的斜率参数;α和β分别为描述快谱形状和峰值的参数㊂在他们的研究中采用贝叶斯算法对多球谱仪241Am -Be 源中子能谱测量结果进行解谱,如图11所示,采用贝叶斯算法解谱结果与GRAVEL㊁MAXED 等程序结果吻合较好,但在能量峰值上有细微差别,贝叶斯法中该值比MAXED 法㊁GRAVEL 法中稍低,这可能与是否设置预置谱和采用不同的解谱方法有关㊂采用贝叶斯算法解谱结果可以达到较高的精度,解谱结果中子总注量率和剂量率相对偏差小于1%㊂图11㊀多球谱仪测量241Am -Be 源中子能谱Fig.11㊀Neutron spectrum for241Am -Be source using multi-sphere spectrometer㊀㊀2017年,宋鸿鹄等人[57]采用贝叶斯算法对241Am -Be 源中子能谱有机闪烁体测量结果进行了解谱研究,解谱结果如图12所示㊂在形状上与ISO 的标准谱吻合较好,解谱不确定度与实际源的分布㊁ISO 选取有关㊂图12㊀241Am -Be 源中子能谱解谱Fig.12㊀Neutron spectrum unfolding results for241Am -Be measurement贝叶斯算法以贝叶斯理论为基础,通过将中子能谱进行参数化表征从而将解谱问题转化为基于贝叶斯理论的参数估计问题,目前的参数化表征方式主要有将中子注量率按热区㊁超热区以及快中子能量区间采用麦克斯韦分布㊁1/E 分布以及瓦特裂变谱的叠加表征方法㊂该方法经验性强,在先验较为充分的情况下可以取得比较精确的结果,但目前的参数化表征方式也限定了其使用范围㊂2.4㊀蒙特卡罗算法㊀㊀2007年,Bedogni 等人[58]提出了采用蒙特卡罗算法进行中子能谱解谱㊂在贝叶斯参数化方法的基础上,增加了蒸发谱和高斯谱模型对快中子能量分布进行表征,增加了蒸发谱对高能区中子能量分布进行表征,代表性的程序为FRUIT㊂Bedogni 等人[59]采用FRUIT 程序对241Am -Be 源中子能谱㊁252Cf 自发裂变中子能谱㊁252Cf(D 2O)中子能谱㊁12C 离子束碰撞中子源能谱㊁LINAC 放疗中子能谱以及CERF 装置中子能谱开展了解谱研究,如图13示㊂采用蒙特卡罗解谱可以取得较好的解谱效果,解谱结果与参考解吻合较好㊂对于241Am -Be 源中子能谱,解谱结果显得过于光滑,参考解中特征能峰部位有一定的偏差,如图13所示,表明蒙特卡罗算法可以取得较好的解谱精度,其解谱结果总注量率与参考解的最大偏差在5%以内㊂㊃272㊃黄迁明等:中子能谱测量中的解谱技术研究进展㊀图13㊀蒙特卡罗解谱方法求解效果Fig.13㊀Neutron spectrum unfolding results for Monte Carlo method蒙特卡罗中子能谱解谱算法在对中子能谱参数化的基础上,采用蒙特卡罗方法随机生成可表征中子能谱的参数集,然后依据该参数集表征的中子能谱和测量系统的响应函数计算探测器的计数并与实验值进行比较,重复该过程直至满足相应的收敛㊂该方法的使用具有很强的经验性,其优点为仅需指定中子场类型而无需提供初始能谱,其比较适用于无法通过理论计算获取初始谱的情况㊂由于采用蒙特卡罗方法作为迭代策略,该方法需要较长的计算时间,另外该方法解谱结果也有可能出现不符合物理意义的结果㊂2.5㊀其他解谱方法㊀㊀1999年,Freeman 等人[60]通过将探测器计数的计算值与实验值差值的平方和作为适应度函数,从而将解谱问题等价为可应用遗传算法进行求解的全局优化问题,然后采用标准遗传算法实现解谱㊂此后Mukherjee㊁王东等人[61-65]也进行了相关研究,但该算法始终存在精度较差和能谱不光滑特性㊂2002年,Braga 等人[66]首次利用神经网络技术对多球谱仪测量结果进行了中子能谱解谱,其采用三层神经网络结构,应用于中子能谱解谱的神经网络结构均比较简单且需要大量样本进行训练,在所求解中子能谱能群数目较少的情况下可以给出比较好的解,但也容易产生 过拟合 或 拟合不足 等学习现象㊂2013年,Pehlivanovic 等人[67]采用ML-EM 算法对特征峰中子能谱㊁252Cf 中子能谱的有机闪烁体测量结果进行了解谱研究,解谱结果与参考解基本吻合,但结果不够平滑,出现了较多不属于参考解的错误峰值,如图14所示㊂2017年,Molina 等人[68]使用ML-EM 方法对RECH -1反应堆中子能谱的多箔活化测量结果进行了解谱研究,如图15所示,结果表明在先验信息充足的情况下,ML-EM 方法可以取得较好的解谱结果㊂2004 2006年间由Candes㊁Romberg 和Tao等人[69-73]提出了压缩感知理论,其被认为是对经典采样理论Nyquist-Shannon 定理的突破和补充,已广泛应用于信号处理,医学㊁雷达图像重建,数据压缩㊁数据传输等领域㊂刘斌等人[74]于2019年建立了基于压缩感知理论的中子能谱解谱方法,对于核反应堆屏蔽结构典型中子能谱,解谱结果与参考解的总注量率相对偏差在4%以内,如图16所示,对于反应堆辐照监管中多处位置的中子能谱解谱结果与参考解相对偏差小于2%,说明其对高欠定程度的解谱问题也有较好㊃372㊃㊀辐射防护第42卷㊀第4期图14㊀闪烁体中子能谱Fig.14㊀Neutron spectrum fromscintillator图15㊀RECH -1反应堆Fig.15㊀Reactor RECH -1适应性㊂由于研究起步晚,遗传算法㊁神经网络算法等新兴算法的研究成果还比较少,在解谱稳定性或精度方面不及最小二乘算法等经典算法,但由于新兴算法具有较大的解谱精度和扩展潜力,若能解决现存问题并达到可应用的程度,遗传算法㊁神经网络算法等将有望在中子能谱解谱中发挥重要作用㊂3㊀总结和展望文章总结了中子能谱解谱模型㊁响应函数获取方法,以及解谱过程中的误差产生㊁处理方法,重点介绍了国内外中子能谱测量技术研究现状以及中子能谱解谱算法研究现状,总结了不同解谱算法的特点,接着介绍了根据不同解谱算法发展的解谱程序,对比了不同解谱算法及程序的优缺点,并推介了目前最适合用于中子能谱解谱的程序㊂针对解谱方法的原创性研究国外研究者占大多数,国内学者的研究主要集中在跟踪研究㊁已有算法应用改进以及依据已有算法开展解谱程序的研发等方面,对于解谱方法本身突破性的研究,尚有较大的提升空间㊂现有解谱程序主要依赖于发展较早㊁较成熟的算法开发,基于最小二乘算法的程序最多,包括SAND 系列程序㊁NSAGLS㊁ANNs 等,基于最大熵算法的有MAXED 程序,基于蒙特卡罗算法的有FRUIT 程序,功能较强㊁应用最广泛的还属SAND 系列程序和MAXED 程序㊂而对于较新的算法,如贝叶斯算法㊁正则化算法虽然已有较多研究,解谱效果也一般,尚无通用的程序公开,其他诸如遗传算法㊁神经网络算法等尚处于原理研究阶段,而遗传算法㊁神经网络算法具有功能强大㊁扩展性强的特点,若能解决现在遇到的一些问题,这些新兴算法将在中子能谱解谱中发挥重要作用,这方面还有很多工作可以做,包括解决遗传算法的解谱结果不光滑问题㊁优化算法提高求解速度等㊂经过梳理可发现,目前大多数解谱程序都是㊃472㊃图16㊀几种典型中子能谱解谱效果Fig.16㊀Unfolding results for several typical neutron spectrum采用单一解谱算法,尚无综合多种解谱方法的解谱程序研发,而就目前对解谱效果的调研来看,每种解谱方法对特定的中子能谱类型往往具有适用性,比如ML-EM方法对特征峰类型的能谱往往具有很好的适应性,正则化算法对于平滑的中子能谱具有很好的适应性,尚无对所有中子能谱㊀㊀㊀㊀㊀都有很好适应性的解谱方法㊂因此,开发包含多种解谱方法的综合性解谱程序具备较强的应用需求,相信随着中子能谱解谱技术的发展,必将在各类核装置的设计和运行㊁辐射防护剂量学和屏蔽验证以及核军备控制和反恐等领域发挥重要作用㊂参考文献:[1]㊀Ikuo Kondo,Kiyoshi Sakurai.Experimental evaluation of reactor neutron spectrum in irradiation field[J].Journal ofNuclear Science and Technology,1981,18(6):461-472.[2]㊀Griffin P J,Kelly J G,Luera T F,et al.Effect of new cross section evaluations on neutron spectrum determination[J].IEEE Transactions On Nuclear Science,1992,39(6):2078-2085.[3]㊀DavideChiesa,MassimilianoNastasi,Carlo Cazzaniga,et al.Measurement of the neutron flux at spallation sources usingmulti-foil activation[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2018:14-24.[4]㊀Klein H.Workplace radiation filed analysis[J].Radiation Protection Dosimetry,1997,70(1):225-234.[5]㊀Flaska M,Pozzi S A.Identification of shielded neutron sources with the liquid scintillator BC-501A using a digital pulseshape discrimination method[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2007,577:654-663. [6]㊀Pehlivanovic B,Avdic S,Marinkovic P,et parison of unfolding approaches for monenergetic and continuous fast-neutron energy spectra[J].Radiation Measurements,2013,49:109-114.[7]㊀Horst Klein,Sonja Neumann.Neutron and photon spectrometry with liquid scintillation detectors in mixed fields[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2002,476:132-142.[8]㊀Guillaume H V,Matthieu H,Normand S,et al.Pulse shape discrimination between(fast or thermal)neutrons and㊃572㊃。
西安脉冲堆热柱孔道中子束流参数测量
２２１ 实验装置 实验装置如图 ｌ －． 所示 。 从反应 堆辐射 出来的各种能量 的中子经过热柱石墨体充
ｆ１ ２
ｄ ：
ｄ ，
．， ｄ
ｄ
分慢化 以后 ，形成充分慢化的热中子束。根据脉 冲堆孔 道 和辐射 场 特点 ，设 计 了飞行时 间法测 量
系统 和飞行 时 间谱 仪 电子学 线路 （ ２。 图 ） 测定热 中
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第 ２ ８卷 第 ４期
２ ０ ０ ７
核 动 力 丁 程
Ｎ ｕｃｅ ｒ ｌａ Ｐｏｗｅ ｇｉ ｅ ｉｇ ｒＥｎ ｎｅ ｒｎ
Ｖｄ ． ２ １ ８．ＮＯ． ４ Ａｕ ｇ．２ ０ ０ ７
年 ８月
文章 编 号 ：０ ５－９ ６２ ０ ）４０ ０ －４ ２ ８０ ２ （０７０－０ １ ０
式中，ａ ） （分别为飞行时间多道谱仪在测量 ｔ ， 、 ）
时间 ， 内测 量 的飞 行 时 间谱 及 本底 谱 ，ｃ ｍ～； 为 与 谱 仪 测 量 的 飞行 时 间谱 对 应 的 中子 能 谱 ，（ｍ ・Ｖ ～； Ｅ和 出是 ２种分 布上对应 的 ｃ ｅ ） ｄ 微 分 间隔 。这样 ，在 飞 行 时间法 中把测量 中子 能
子能谱测量系统配置 ，考虑 了实验系统和环境 因 素对测量能谱准确性的影响 ；同时，利用金箔活 化法初步测量了热柱孔道 出口前端热中子注量率
大小 ；为 脉 冲堆安全 运 行及其 应用 研 究提 供 了孔
谱 的任务就转化为测量飞行时间谱 。 由式 （） （） ２和式 ３得
， ， 、 ， ，
３
Ｆｆ ： １
一 ，
７－ ． — ２３ ，
（） ４
道热 中子能谱和中子注量率参数。
气体探测器与中子探测
气体探测器与中子探测1.1 气体探测器概述气体探测器是人类历史上应用最悠久的核辐射探测器,在早期核物理发展中起了很大作用,例如宇宙线和中子是在电离室中发现的,迄今已有一百多年的历史。
气体探测器是以气体作为探测介质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的电荷来探测粒子,获取入射粒子的能量、时间及位置等相关信息。
1.2 气体探测器测量原理气体探测器是以工作气体(既可以是混合气体,也可以是单一气体)作为探测物质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的电离电荷来探测粒子,获取入射粒子的能量、时间及位置等相关信息。
尽管气体探测器的形式和结构各种各样,但几乎都是利用电极来收集电离电荷的,它们通常都是由高压电极和收集电极组成。
入射粒子进入灵敏区后，通过使电极间气体电离,生成的电子和正离子在电场的作用下分别向相反方向漂移,最后被电极收集。
在漂移过程中,由于静电感应,电极上将感生电荷,并且随他们的漂移而变化,于是在输出回路中形成感应电流,收集的电子-离子对数目决定了输出电流的大小。
气体探测器正是利用此特性实现了探测粒子的功能。
1.2.1带电粒子在工作气体中的能量损失与统计规律入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止下来。
碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的离子对(电子和正离子)。
上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离，以及由碰撞打出的高速电子(δ电子)所引起的电离。
前一过程产生的离子对数称为初电离，后一过程产生的离子对数称为次电离，初电离和次电离的总和称为总电离。
此外，粒子在单位路程上产生的离子对数称为比电离。
带电粒子在气体中产生一对电子-离子所需的平均能量w称为平均电离能，公式2.1所示。
(2.1)式（2.1）中E为带电粒子在探测器中的能量损失，N为电离过程产生的平均电子-离子对数目。
在气体中产生一个电子一离子对所需能量(平均电离能)约为30eV,若一个能量为3keV的带电粒子与气体相互作用,则能产生3000/30=100电子一离子对。
252Cf裂变γ射线伴随飞行时间法刻度液体闪烁体中子探测效率
252Cf裂变γ射线伴随飞行时间法刻度液体闪烁体中子探测效率任杰;聂阳波;阮锡超;黄翰雄;李霞;张凯【摘要】宏观检验实验是检验核数据正确性的重要实验方法之一.液体闪烁体中子探测器是中子核数据宏观检验实验中快中子能谱测量的主要探测器,其探测效率曲线的准确性关系到实验结果的精度.本文采用252Cf中子源的伴随γ射线和飞行时间法测得了液体闪烁体对2.0~10.0MeV中子的相对探测效率曲线,同时利用飞行时间法和400kV脉冲中子发生器的d-D反应中子源测得了2.9MeV单能中子的绝对探测效率.将相对探测效率曲线归一到单能点的绝对效率,得到探测器在这一能区的绝对探测效率曲线.使用蒙特卡罗程序NEFF模拟相同参数的液体闪烁体探测器对10.0MeV以下中子的探测效率曲线.最后将实验结果与模拟结果对比,结果表明实验得到的探测效率曲线合理、准确.%The benchmark experiment is one of the important experiment methods for verifying the nuclear data.Liquid scintillator detector is the main detector used in the neutron nuclear data benchmark experiments,and the accuracy of the experiment results is affected by the precision of the detection efficiency of the detector ing time-of-flight method and a 252 Cf neutron source, the neutron relative detection efficiency curve of the liquid scintillator was measured in 2.0-10.0 MeV energy region.And the absolute detection efficiency of mono-energetic neutrons was also measured at 2.9 MeV with the time-of-flight method and the d-D reaction neutron source.After normalizing the relative detection efficiency curve to the absolute detection efficiency at 2.9 MeV,the absolute detection efficiency curve inthis energy region was obtained.The calibrated detection efficiency of the liquid scintillator was also compared with the calculation result of the Monte-Carlo code NEFF,and good agreement was obtained.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2018(052)002【总页数】6页(P215-220)【关键词】探测效率;液体闪烁体;飞行时间法;蒙特卡罗模拟【作者】任杰;聂阳波;阮锡超;黄翰雄;李霞;张凯【作者单位】中国原子能科学研究院核数据重点实验室,北京 102413;中国原子能科学研究院核数据重点实验室,北京 102413;中国原子能科学研究院核数据重点实验室,北京 102413;中国原子能科学研究院核数据重点实验室,北京 102413;中国原子能科学研究院核数据重点实验室,北京 102413;中国原子能科学研究院核数据重点实验室,北京 102413【正文语种】中文【中图分类】O571.5有机闪烁体被广泛应用于基础科研、核医学、核安全等领域，其成本较低且可加工成各种形状和尺寸。
中子能谱测量方法
中子能谱测量方法
中子能谱测量可是个很有趣又有点复杂的事儿呢。
一种常见的方法是活化法。
这就像是给中子找个小助手，让它去和一些物质发生反应。
比如说，把某些特定的箔片放在有中子的环境里。
中子就会和箔片里的原子核相互作用，让原子核变得“兴奋”起来，也就是被活化啦。
然后呢，我们再通过测量活化后的原子核发射出的射线的能量和强度等信息，就可以倒推出中子的能谱啦。
这就像是根据一个人留下的脚印，去推测这个人的身高体重啥的一样，很神奇吧。
还有时间飞行法。
想象一下中子就像一群调皮的小飞鸟。
我们先让中子从一个地方出发，然后在另一个地方测量它们到达的时间。
因为不同能量的中子飞行速度不一样呀，就像不同体力的小鸟飞的快慢不同。
能量高的中子飞得快，能量低的中子飞得慢。
通过精确测量到达时间，我们就能把不同能量的中子区分开来，从而得到中子能谱。
这个方法就像是给中子们办了一场飞行比赛，根据到达终点的先后顺序来判断它们的能量高低。
多球谱仪法也很厉害哦。
就像是用好多不同的小笼子去捕捉中子。
这些小笼子就是不同大小、不同材料的球。
中子进入球里就会和里面的物质相互作用。
每个球对不同能量的中子反应不一样，就像每个小笼子对不同类型的小动物有不同的捕捉能力一样。
然后我们综合分析各个球的反应情况，就能知道中子的能谱啦。
这些测量方法都各有各的巧妙之处，科学家们就像聪明的侦探一样，通过这些方法去揭开中子能谱这个神秘的面纱呢。
不管是活化法的巧妙反应，时间飞行法的速度比拼，还是多球谱仪法的综合探测，都让我们对中子的能量分布有了更多的了解。
时间分辨光谱学
时间分辨光谱学是一种光谱学的分支，主要关注光学信号中的时间特性。
它旨在研究和理解光学过程、光激发和光学现象在时间上的演变。
这种方法通常需要使用高速光学和光电子学技术，以在极短时间尺度内捕捉光学信号的变化。
以下是有关时间分辨光谱学的详细解答：1. 基本原理：▪时间分辨技术：时间分辨光谱学使用高速技术来测量瞬时光学事件。
这可能包括飞行时间光谱仪、超快激光系统、飞秒激光技术等。
▪脉冲宽度：时间分辨的能力通常由脉冲的时间宽度来决定，这是描述瞬时光学过程时间尺度的参数。
2. 实验技术：▪飞行时间光谱仪：这种仪器利用粒子或光子在空间中的飞行时间来获得样品的光谱信息。
▪超快激光系统：飞秒激光系统生成极短脉冲的激光，可以用于研究超快动力学过程，如分子振动、电子跃迁等。
▪时间分辨光电子能谱：这是一种通过测量光电子的飞行时间来研究材料电子结构的方法。
3. 应用领域：▪分子动力学：研究分子的振动、转动和化学反应的动态过程。
▪材料科学：调查材料中的电子态、载流子动力学等。
▪生物物理学：研究生物分子的结构和动态性质，包括光合作用和蛋白质折叠。
4. 飞行时间光谱仪的工作原理：▪样品通过光激发后，生成电子、离子等，这些粒子在电场中受到加速，并在飞行时间光谱仪中飞行。
▪测量这些粒子到达检测器所需的时间，得到与粒子能量相关的时间信号。
▪分析这些信号以获取样品的光谱信息。
5. 挑战与发展：▪时间分辨光谱学面临着挑战，如高灵敏度、高分辨率的要求，以及对样品的要求（例如，稳定的飞行时间）。
▪不断发展的超快激光技术和探测技术推动了时间分辨光谱学的进步。
时间分辨光谱学为研究光学现象的时间演化提供了有力的工具，对于理解和探索各种科学和工程领域中的复杂光学过程至关重要。
重水反应堆热柱中子能谱测量
重水反应堆热柱中子能谱测量
包宗渝;陈军
【期刊名称】《青岛大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】1997(010)002
【摘要】利用飞得时间法，用机械选择器测量了中国原子能科学研究院重水反应堆热柱的中子能谱。
结果表明，该热柱能谱和理论Ｍａｘｅｗｌｌ谱有偏离。
【总页数】4页(P66-69)
【作者】包宗渝;陈军
【作者单位】中国原子能科学研究院;中国原子能科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TL423.075
【相关文献】
1.核反应堆内中子能谱测量技术 [J], 王谷军
2.游泳池反应堆热柱中子束空间分布.能谱及剂量参数的测定 [J], 陈常茂;谢建伦
3.SPRR-300反应堆大热柱内中子注量率及能谱分布 [J], 窦海峰;代君龙
4.研究性重水反应堆厂房外环境中子、γ剂量当量率的测定 [J], 陈常茂;闻友勤
5.重水反应堆热柱中子能谱测量 [J], 包宗渝;陈军;岳骞;徐昆;
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