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基于反应堆热中子的中子照相孔道设计

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基于中子照相的准直装置设计

基于中子照相的准直装置设计

修 回 日期 ： ０ ０ ３—１ ２ １ —０ Ｏ
基 金 项 目 ： 州 学 院科 研 基 金 项 目（ Ｚ Ｌ ９ ７ 滨 Ｂ ＸＹ ０ ０ ）
第 一 作 者 简 介 ： 伟 波 （９ Ｏ ）男 ， 东 平 邑人 ， 教 ， 士 ， 要 从 事 中 子 技 术 及 应 用 研 究 ， 刘 １ ８一 ， 山 助 硕 主 Ｅ—ｍａｌｌ ｗｂ １ ０ ＠ ｉ ｉ ：ｕ １８
ＴＪ
摘 要 ： 阐述 了中子 照相 的基本 原理 和装 置构 成 ， 计 了相 应 的 中子 准 直装 置． 设 通过 改 变准 一 ＿ ｍ ａ 直 器 的 厚 度 、 直 孔 的 大 小 ， 量 准 直 孔 和 孔 周 围 不 同位 置 的 中子 分 布 ． 实 验 得 出 的 数 据 与 理 准 测 将
一
１６ ．Ｃ ｒ ． ３ Ｏ ｎ
５ ６
出 ， 成 中子 束 ． 形
滨 州学 院学报
第２ ６卷
出透 过准直 器 的中子注量 率 比 ， 从而计 算 出中子计 数 的理论值 ． 计算 精度对 于实 际问题 的计算来 说是
足够 的． 大多数 情况 下 ， 在 ｄ的一 定 变 化范 围 在 只
化 ， 可 由转 换屏把 含有 物体 内部信 息 的 中子束 转 故 换 成可 记录 的图像并 用 图像记 录器 记录 ． 当前应 用
较 广 、 究较 多 的是 热 中子 照 相 和快 中子 照 相 ， 研 它 们各 有优 缺点 ． 中子照 相分辨 率 高但 只 能穿透 较 热 薄 的金属层 ， 中子 照相可 以穿 透较厚 的金 属层 但 快
绍． 慢化体 采用 ８ｃ 厚 的石蜡 筒 ． ｍ
～一 器 被 一物 一
由
１ 中子 照 相 的基 本 原 理 和装 置 构 成

中子照相技术及其应用(PDF 8页)

中子照相技术及其应用(PDF 8页)

中子照相技术及其应用裴宇阳　唐国有　郭之虞(北京大学物理学院　重离子物理教育部重点实验室　北京　100871)摘　要　本文简述中子照相的原理、方法和特征。

包括中子源,中子转换屏,中子成像技术等关键技术。

给出在415M V静电加速器上快中子照相的结果。

并概述中子照相技术的一些应用实例。

关键词　中子照相　快中子　中子转换屏　无损检测概述我国的中子照相可以追溯到60年代初,中国原子能科学院朱家等人在研究性重水反应堆上由中子通过有关材料的强度变化,完成了我国第一颗原子弹引爆中子源的最终质量检测。

80年代初,清华大学核能研究院等单位曾在反应堆上开展过热中子照相的研究工作,是我国首批建成的能投入正式运行的堆热中子照相系统1,若干年来为航空国防等部门完成许多热中子照相任务。

东北师范大学自1985年起开始进行过小型中子照相装置的实验和研究2。

中子照相对中子源有较高的要求,也制约中子照相的发展,反应堆中子源中子流密度高,可获得优质的中子照相的照片,但费用高,设备笨重,随着中子照相的推广,为满足工业应用,中子照相小型化的要求越来越迫切,以致成为当今中子照相研究中的主要课题之一。

如采用中子管,加速器中子源的可移动式中子照相装置等。

近些年来,中子的成像技术也有迅猛的发展,特别是电成像,实时成像等成为显示中子图像的主要手段,这也是当前该领域的主攻课题之一。

中子照相技术具有其他无损探测技术无可替代的特点和优点,能够获得很多其它传统技术不能得到的重要信息。

射线检测是从X射线开始的,与X 射线无损检测相比较,X射线穿透物体时,受到核外电子作用而被衰减,因此其质量衰减系数,与材料原子序数有确定的函数关系。

与X射线不同,中子不带电,能轻易的穿透电子层,与原子核发生核反应,因此其质量衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关,和原子序数关系复杂。

由于上述机理的区别,使中子照相具有下列X射线所没有的功能:中子能够:a)穿透重元素物质,对大部分重元素,如铁、铅、铀等,质量吸收系数小;b)对某些轻元素,如水、碳氢化合物、硼等质量吸收系数反而特别大;c)区分同位素;d)能对强辐射物质成高质量的图像等。

基于中子照相的准直装置设计

基于中子照相的准直装置设计

基于中子照相的准直装置设计
刘伟波;李明娟;马国利
【期刊名称】《滨州学院学报》
【年(卷),期】2010(026)003
【摘要】阐述了中子照相的基本原理和装置构成,设计了相应的中子准直装置.通过改变准直器的厚度、准直孔的大小,测量准直孔和孔周围不同位置的中子分布.将实验得出的数据与理论值和模拟值相比较,从而确定该准直装置使用的可行性.
【总页数】3页(P55-57)
【作者】刘伟波;李明娟;马国利
【作者单位】滨州学院,物理与电子科学系,山东,滨州,256603;滨州学院,飞行学院,山东,滨州,256603;滨州学院,物理与电子科学系,山东,滨州,256603
【正文语种】中文
【中图分类】O571.5
【相关文献】
1.SPRR-300反应堆中子照相装置准直系统的研制 [J], 唐彬;张松宝;代君龙;王云;胡志勇
2.d-T源中子照相装置慢化准直系统初步设计 [J], 何丽华;凌球;刘福东;郑平卫
3.用无本影装置测定中子照相射线束的准直比 [J], 安福林;李富荣
4.小型中子源高能中子照相装置准直屏蔽系统设计 [J], 吴洋;窦海峰;唐彬;霍合勇
5.激光对中法在中子照相准直装置中的应用 [J], 崔元萍;田华;刘斌
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应用于中子照相的热中子敏感微通道板

应用于中子照相的热中子敏感微通道板

应用于中子照相的热中子敏感微通道板潘京生;顾燕;孙建宁;苏德坦;陆强【摘要】介绍了中子成像探测技术的应用.由于直接在微通道板(MCP)玻璃中掺加中子灵敏核素可使MCP对热中子敏感,从而可将MCP事件计数成像探测器的优势成功地应用于以中子为探针的成像探测技术,本文开展了热中子敏感微通道板的研究.通过在MCP玻璃中掺摩尔百分比为3％的Gd2O3,并沿用MCP的制作方法,完成了直径为50 mm和106 mm的大面阵热中子敏感MCP的制作,并进行了基于这种大面阵热中子敏感MCP的中子事件计数成像探测器的中子成像实验.理论和实验结果都验证了掺摩尔百分比为3％的Gd2O3 MCP可取得对热、冷中子30％～50％的探测效率.最后,进一步介绍了目前开展的封装式中子敏感MCP增强管的研制工作.基于掺Gd2O3的MCP增强管并经光学耦合到CCD或CMOS相机的紧凑混合传感器结构是实现高时空分辨能力的中子照相无损检测技术的有效途径.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)003【总页数】7页(P660-666)【关键词】中子照相;中子相机;中子敏感微通道板;增强CCD;增强CMOS-APS 【作者】潘京生;顾燕;孙建宁;苏德坦;陆强【作者单位】北方夜视技术股份有限公司,江苏南京211102;北方夜视技术股份有限公司,江苏南京211102;北方夜视技术股份有限公司,江苏南京211102;北方夜视技术股份有限公司,江苏南京211102;北方夜视技术股份有限公司,江苏南京211102【正文语种】中文【中图分类】TL816.3;TN151.11 引言在凝聚体物理学、材料科学和工程、地球科学以及生物科学等多个基础科学领域，中子成像已成为一种有效的探测方式。

中子相互作用概率与核结构的相关性决定了不同材料对中子的吸收系数经常有着数量级的差别，因此中子成像可获得更高的分辨力和灵敏度，而通过中子计算机断层成像进一步保留中子吸收的空间分布信息，对其物理结构按照实际的空间相对位置和方向进行可视化成像，有助于理解材料缺陷发展和器件失效的基本机制［1－4］。

应用于中子照相的热中子敏感微通道板

应用于中子照相的热中子敏感微通道板
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈｅ ａ ｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｏ ｆ ｎｅ ｕ ｔ ｒ ｏ ｎ ｒ ａ ｄ ｉ ｏ ｇｒ ａ ｐ ｈ ｗ ｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄｕ ｃ ｅ ｄ． Ａ ｓ ａ ｄ ｄｉ ｎｇ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ｎｅ ｕｔ ｒ ｏ ｎ —
感， 从 而 可将 ＭＣ Ｐ事 件 计 数 成 像 探 测 器 的 优 势 成 功地 应 用 于 以 中 子 为 探 针 的成 像 探 测 技 术 ， 本 文 开 展 了 热 中子 敏 感 微
通 道 板 的 研 究 。通 过 在 ＭＣ Ｐ玻 璃 中掺 摩 尔 百 分 比为 ３ 的Ｇ ｄ Ｏ ， 并 沿 用 ＭＣ Ｐ的制作方法 ， 完成 了直径 为 ５ Ｏ ｍｉ ｌ ｌ 和 １ ０ ６ ｍｒ ｒ ｌ 的大 面 阵热 中子 敏 感 ＭＣ Ｐ的 制作 ， 并 进 行 了 基 于 这 种 大 面 阵热 中 子 敏 感 ＭＣ Ｐ的 中 子 事 件 计 数 成 像 探 测 器 的 中子 成 像 实 验 。理 论 和 实 验 结 果 都 验 证 了 掺摩 尔百 分 比 为 ３ 的 Ｇｄ Ｏ 。 ＭＣ Ｐ可 取 得 对 热 、 冷 中子 ３ Ｏ ～５ Ｏ 的 探 测 效 率 。最 后 ， 进 一 步介 绍 了 目前 开 展 的封 装 式 中子 敏感 ＭＣ Ｐ增强 管 的 研 制工 作 。基 于 掺 Ｇｄ ２ 的 ＭＣ Ｐ增 强 管 并 经 光 学 耦 合到 Ｃ Ｃ Ｄ或 Ｃ ＭＯ Ｓ相 机 的 紧凑 混合 传 感 器 结构 是 实 现高 时空 分 辨 能力 的 中 子 照相 无 损检 测 技术 的有 效 途径 。
Ｔｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｎｅ ｕ ｔ ｒ ｏ ｎ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｍ ＣＰｓ ｆ ｏ ｒ ｎｅ ｕ ｔ ｒ ｏ ｎ ｒ ａ ｄ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ

医院中子照射器Ⅰ型堆超热中子束流孔道的优化设计

医院中子照射器Ⅰ型堆超热中子束流孔道的优化设计
［ 收稿 日期 ］ ２ １ ４— ６ ０ ２—０ ０
［ 作者简介 ］ 江新标（ ９ ７ ） 男 ， １６ 一 ， 江苏如东县人 ， 研究员 ， 博士 ， 主要研 究方 向为核能科学与工程 ； Ｅ—ｍ ｉ ｊ ｎｘ６ ＠ｙｈｏ ｔｍ．ａ ａｌ ｉ ｇｂ ７ ａｏ．ｏ ｃ ：ａ
２ １ 第 １ 第 ８期 ０ ２年 ４卷
子可 与 富集在 肿瘤 区域 的 含 硼 药 物 中 的ｍ Ｂ发 生 核
－ — —
Ｊ 女， Ｌｆ
一
慢 化体
＼ Ｊ
反射 层
反应 ， 释放 出传 能线密度较高 的 Ｏ粒 子和 ｉ 子 ｔ Ｌ粒
来 杀伤 肿瘤 细胞 ， 实现肿 瘤 的二元 治 疗 目的 。 医 院 中 子 照 射 器 Ｉ型 堆 （Ｈ Ｉ一１ 设 计 有 ＩＮ ） Ｂ Ｃ Ｎ Ｔ超 热 中 子 束 流 孔 道 ＿３， 孔 道 最 初 采 用 Ａ ２ｊ该 ｌ ｌ
１ ０ Ｖ） ００ ０ ｅ 具有 以下两个 优 点 ： １ 穿 透 力强 ， 深入 到大 脑深 部 ； ） 能
化 材料设 计 的超 热 中子通 量 密 度 较小 ， 约为 ４５ ．８×
１ ｍ～ ・ ～， ０ｃ Ｓ 没有达 到 １ ０×１ ｃ ． ０ ｍ～ ・ 的 国际 Ｓ
通用要求 。因此 ， 为了进一步提高 Ｉ Ｎ 一１ Ｈ Ｉ 堆超热 中子孔道 的束 流强度 ， 文章利 用 Ａ 、 Ｌ Ｅ Ｔ Ｌ等 １Ｆ Ｕ Ｎ Ａ 材料 对 图 １中的超 热 中子 滤束装 置 的慢化 体进 行优
［ 图分类号 ］ Ｔ ３ ９ ２ ［ 中 Ｌ２． 文献标识码 ］ Ａ ［ 文章编 号］ １０ １４ （ ０ ２ ０ ０ ３ ０ ０ ９— ７ ２ ２ １ ） ８— ０ ３— ５
１ 前 言

基于反应堆中子照相孔道参数初步实验研究

第４ ７ 卷增 刊
２ ０ １ ３ 年ｌ ２ 月
原
子
能

科
学
技
术
Ｖｏ １ ． ４ ７， Ｓｕ ｐｐ １ ．
Ｄｅ ｃ ．２ ０１ ３
Ａｔ ｏ ｍｉ ｃ Ｅｎｅ ｒ ｇｙ Ｓｃ ｉ ｅ ｎｃ ｅ ａ ｎｄ Ｔｅ ｃ ｈｎ ｏｌ ｏ ｇ ｙ
基 于 反 应 堆 中 子 照 相 孔 道 参 数 初 步 实 验 研 究
李义国 ， 鲁 谨 ， 俞伯祥 。 ， 彭 旦 ， 郝 倩 ， 邹湫 ￣ 云 ４ ４ － ， 章爱武 ， 杨晓鹏。
（ １ ． 中 国原 子 能 科 学 研 究 院 反 应 堆 工 程 研 究设 计 所 ， 北 京 １ ０ ２ ４ １ ３
２ ． 中 国科 学 院 高 能物 理 研 究 所 ， 北京
关键 词 ： 中子照相 ； 医 院 中子 照 射 器 ； 热 中子 注 量 率
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｌ ３ ７ ５ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ６ ９ ３ ｌ （ ２ ０ １ ３ ） Ｓ ｌ 一 ０ ６ ３ ６ — ０ ４
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ７ ５ ３ ８ ／ ｙ ｚ ｋ ． ２ Ｏ １ ３ ． ４ ７ ． Ｓ １ ． ０ ６ ３ ６
Ｐｒ ｅ ｌ ｉ ｍｉ ｎａ ｒ ｙ Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ Ｃｏ ｎｄ ｕ ｃ ｔ
ｆ ｏ ｒ Ｎｅ ｕ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｐｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐｈ ｙ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｒｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ
ＬＩ Ｙｉ — ｇ ｕ ｏ ，Ｌ Ｕ Ｊ ｉ ｎ ，ＹＵ Ｂｏ — ｘ ｉ ａ ｎ ｇ ，ＰＥＮＧ Ｄａ ｎ ，ＨＡＯ Ｑｉ ａ ｎ

中子照相技术及其应用(PDF 8页)

中子照相技术及其应用裴宇阳　唐国有　郭之虞(北京大学物理学院　重离子物理教育部重点实验室　北京　100871)摘　要　本文简述中子照相的原理、方法和特征。

包括中子源,中子转换屏,中子成像技术等关键技术。

给出在415M V静电加速器上快中子照相的结果。

并概述中子照相技术的一些应用实例。

关键词　中子照相　快中子　中子转换屏　无损检测概述我国的中子照相可以追溯到60年代初,中国原子能科学院朱家等人在研究性重水反应堆上由中子通过有关材料的强度变化,完成了我国第一颗原子弹引爆中子源的最终质量检测。

80年代初,清华大学核能研究院等单位曾在反应堆上开展过热中子照相的研究工作,是我国首批建成的能投入正式运行的堆热中子照相系统1,若干年来为航空国防等部门完成许多热中子照相任务。

东北师范大学自1985年起开始进行过小型中子照相装置的实验和研究2。

中子照相对中子源有较高的要求,也制约中子照相的发展,反应堆中子源中子流密度高,可获得优质的中子照相的照片,但费用高,设备笨重,随着中子照相的推广,为满足工业应用,中子照相小型化的要求越来越迫切,以致成为当今中子照相研究中的主要课题之一。

如采用中子管,加速器中子源的可移动式中子照相装置等。

近些年来,中子的成像技术也有迅猛的发展,特别是电成像,实时成像等成为显示中子图像的主要手段,这也是当前该领域的主攻课题之一。

中子照相技术具有其他无损探测技术无可替代的特点和优点,能够获得很多其它传统技术不能得到的重要信息。

射线检测是从X射线开始的,与X 射线无损检测相比较,X射线穿透物体时,受到核外电子作用而被衰减,因此其质量衰减系数,与材料原子序数有确定的函数关系。

与X射线不同,中子不带电,能轻易的穿透电子层,与原子核发生核反应,因此其质量衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关,和原子序数关系复杂。

由于上述机理的区别,使中子照相具有下列X射线所没有的功能:中子能够:a)穿透重元素物质,对大部分重元素,如铁、铅、铀等,质量吸收系数小;b)对某些轻元素,如水、碳氢化合物、硼等质量吸收系数反而特别大;c)区分同位素;d)能对强辐射物质成高质量的图像等。

中子照相技术及其在考古中的应用

中子照相技术及其在考古中的应用作者：刘斯禹郭天超韩雪高瑜郭天飞来源：《科学与财富》2016年第28期摘要：1932年中子被发现后，中子照相技术也逐步发展起来，成为了与X射线照相互补的重要无损检测技术，其对于较厚金属等材料的内部结构成像有着独特的优势。

随着技术的发展，中子照相技术应用在了航天、航空、核工业、生物学、考古等领域。

本文介绍了中子照相技术的基本原理，中子照相系统的三个主要装置：中子源、准直器和像探测器。

列举了中子照相技术在考古中的应用。

关键词：中子照相；无损检测；考古；中子源0引言中子照相技术是一种无损检测技术。

其原理是基于中子穿过物体时与原子核发生作用而发生衰减。

中子射线衰减规律遵循指数衰减规律：（1）式中I为出射的中子强度，I0为入射中子强度，α为样品对中子的衰减系数，d为样品在辐射方向的厚度。

对于重元素物质，中子的衰减系数较小，可以对较厚的金属材料实现透射成像[1]。

而对于一些原子序数小的元素，其衰减系数反而较大[2]。

由于不同元素对中子的衰减系数不同，所以透射中子束中含有了被照射样品的内部信息，利用相关的影像技术就可得到样品内部各种材料的空间分布及材料性质的综合信息，从而实现中子照相。

1中子照相的装置系统1.1 中子源中子源是产生自由中子的装置。

按照中子能量的不同，分为冷中子、热中子和快中子。

而因为热中子与物质作用的截面较大，且不同物质区分度高，并且一定强度的中子源容易获得等原因，热中子照相技术发展得较为成熟，应用较广。

但由于其衰减系数较大，在对较厚的金属材料成像时图像不够清晰[3]。

相比之下，快中子由于衰减系数较小，其穿透能力强的特点可以弥补热中子照相的不足。

而国外也在积极发展这项技术[4，5]。

中子源主要有以下几种：反应堆中子源、加速器中子源、中子管中子源和同位素中子源。

其中反应堆中子源产生热中子，能获得高精度影像，运行稳定；但造价高，缺乏灵活性，只能依托大型装置照相。

加速器中子源和中子管中子源能产生快中子，可用于快中子照相；将上述源产生的快中子慢化可得到热中子，即可得到可移动式小型热中子照相装置。

基于ICCD的三维热中子照相探测器的初步实验结果


一、中子照相的概述、现状及应用前景
中子照相的概述
➢ 中子照相按能量可分为: 冷中子、热中子、快中子等；其中热中子照相分辨率较高, 目前 在中子照相中应用最为普遍。但热中子只能穿透较薄的金属层, 快中子照相的分辨率较热中子要差一些；
➢ 中子照相系统的构成： 不同能量的中子照相系统, 共同的主要组成部分为中子源、准直 器和照像探测器；
0 Deg
60 Deg
90 Deg
150 Deg
180 Deg
3D图像的模拟及其重建程序的编制
➢ 模拟用热中子对封闭在1cm厚的封闭 铅 罐 内 的 物 体 进 行 了 3D 照 相 的 Geant4 模拟了，并对模拟数据进行了3D重建， 可以很好的重建出铅管内的物体的3D 结构。
一致
闪烁体屏
样品
ห้องสมุดไป่ตู้
➢ 本实验根据原有的反应堆热中子孔道的中子、gamma的能量通量和角分布，
设计了一个的热中子准直器。
铋 1m碳化硼管
石墨
铋 纯硼
闪烁屏
孔道口
样品
碳化硼 最初的结构 样品
闪烁屏
铅 最终的结构
准直器实验数据介绍：
➢ 对搭建的热中子准直器的实验 参数如下：
1、满功率中子通量： 1.43×106 n/cm2/s 2、准直器中子gamma比：1.43 × 105 n/cm2/mrem 3、准直器出口直径：10cm 4、镉比（Mn）：160（采用锰 活化法测量）
基于 ICCD 的三维热中子照相探测器的初步实验结果
俞伯祥 高能所实验物理中心探二组 2013核探测与核电子国家重点实验室年会
2013年5月3日
主要内容：
➢一、中子照相的概述、现状及应用前景 ➢二、ICCD热中子照相的组成部分及实验条件 ➢三、二维及三维中子照相的初步实验结果 ➢四、下一步研究内容 ➢五、总结
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样品转台 中子闪烁体 双反射镜铝合金暗箱
水平孔道
水冷散热器
CCD相机 中子准直器
三维中子照相系统结构
ICCD相机
二、反应堆热中子孔道蒙特卡洛模拟
与原子能研究院微型堆室的合作下（感谢李义国老师），在微型堆室主导的硼中子 治癌微型研究堆的热中子出口基础上，进行了模拟研究。
参考国际上在用的热中子孔道同时考虑现有实际情况提出的一些指标： •孔道出口热中子通量: •准直比（L/D>50）: •孔道出口直径: •n/Gamma比大于: •镉比（Mn）: >5×105 n/cm2/s 29和58 ～10cm 105 n/cm2/mrem 150
Gamma dose rate(mRem/s)
12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0
Gamma剂量
Horizontal Direction Vertical Direction
0.0
6 4 2 0 -2 -4 -6
Position（cm）
总结
本工作通过Geant4蒙特卡洛程序对反应堆热中子照相孔道进行了模拟设计， 对一系列参数进行了优化，最终确定了热中子照相孔道的各个元件的尺寸以及 中子通量、准直比(L/D)、Gamma剂量率等一系列的重要参数。 通过模拟得到的参数，设计了热中子孔道用的各个元件，在反应堆热中子 出口搭建了中子照相孔道，并对两种入口狭缝的中子通量和Gamma本底剂量率进 行了测量，结果显示热中子通量模拟结果与实验测量基本符合，孔道出口Gamma
基于反应堆热中子的中子照相孔道设计
俞伯祥
核探测与核电子学国家重点实验室
高能物理研究所实验物理中心
第十六届核电子学年会 2012-8-15
报告内容
中子照相概述 反应堆热中子孔道蒙特卡洛模拟 反应堆热中子孔道实验测量 总结
一、中子照相概述
工作原理： 辐射照相技术主要是基于射线通过物体后的衰减来达到的。 X射线与物体作用: 核外电子相互作用，吸收能力与物体原子核外的电子数相关。
闪烁体屏
样品
指标名称 总长度(mm)： 准直比(L/D)： 狭缝尺寸(cm)： 孔道出口中子通量(n/cm^2/s)： 铋厚度(cm)： 孔道出口尺寸(cm)： 偏移角(degree)： n/Gamma比(n/cm2/mrem)：
结果参数 1150 29或58 4 或2 1.28×106 或 6.29×105 3 10 4.1 6.1×105或 3.0×105
中子通量
中子通量测量结果： ɸ4cm 热 中 子 狭 缝 ： 中 心 热 中 子 通 量 满 足 1.0 × 106 n · cm-2s-1) ， 垂直和水平分布， 在 r<2cm 的 范 围 内 ， 约 为 最 大 值 的 90% ， r>2cm 的范围内，变化较大，最外围 r=4cm 处约降为60%。
剂量率偏高，在进行进一步的Gamma射线屏蔽后，可以应用于三维中子照相研究。
在Geant4模拟程序中，输入了反应堆给出的能量分布、角度分布等，采用Geant4
中的GPS模块对入射中子进行定义。
中子入射角度 中子入射能量
反应堆热中子出口的中子能谱及其出射方向（反应堆设计时的模拟结果）
Gamma入射角度
Gamma入射能量
模拟结果：
在模拟过程中对元件的尺寸进行了一系列的试验，包括硼 准直元件的厚度、铋金属的厚度、入口处加石墨准直元件置等， 进行了模拟研究，最终确定了金属Bi厚度为3cm，不加石墨原件， 每25cm铅屏蔽加入一个2cm厚的纯硼原件。 1.28×106 2.1 6.29×105
ɸ2cm热中子狭缝： 中心热中子通量: 5.41×105n·cm-2s-1; 热中子通量分布与ɸ4cm热中子狭缝基本一致。
中子孔道出口热中子通量归一化分布 中子通量
水平方向
14.0
Gamma剂量测量结果： 热中子狭缝的大小，对 Gamma 射线剂量没有 影响，中心位置Gamma剂量为11.5mRem/s,在 r<2cm 的范围内为最大值的 90% ，外围 r=4cm 处约降为60%。总体而言Gamma本底明显偏大， 是设计值的5 倍左右，原因应该是没有屏蔽 散射回来的 Gamma 射线，需要进一步进行加 强Gamma屏蔽。
IAEA报告中的一个热中子孔道结构
中子孔道Geant4模拟结构图
模拟采用的中子孔道结构 :
在入射窗口采用铋金属来减少Gamma射线本底，热
中子狭缝为ɸ2cm和ɸ4cm两种，采用铅屏蔽与含硼中子吸收体间隔的方式，热中
子出口大小为10cm。 物 理 模 型 ： 在 GEANT4 的 各 种 中 子 的 强 相 互 作 用 模 型 中 ， 这 项 工 作 选 择 了 QGSP_BERT_HP相互作用物理模型，这个模型设置了全热中子截面库，能实现弹 性散射、非弹性散射、中子俘获和裂变等中子物理过程，对于中子的工业应用、 医学应用、屏蔽应用及剂量研究GEANT4合作组都推荐使用这个相互作用物理模 型，并且有很多成功应用的实例。
三、反应堆热中子孔道实验测量
热中子孔道布局： 根据模拟结果，在入射窗口采用3cm的铋金属 用于减少Gamma本底射线，热中子狭缝为ɸ2cm 中子照相孔道实验布置
和ɸ4cm两种，每25cm的铅屏蔽加一个2cm硼中
子吸收体，总体长度为115cm，热中子出口大 小为10cm。 热中子探测器：锰活化片中子探测器（9个） 每个相距2cm。 各种元件 Gamma剂量探测器：13个热释光剂量探头，对热 中子孔道出口进行剂量测量,分布与中子探测一 致，在外围多加了4个。
应用方向：航空、航天、考古、机械、材料、 核工业等领域。其中航空发动机扇叶的缺陷探 测、工业产品的缺陷探测等。
CCD照相系统结构
整个照相系统包括： 1、热中子源孔道 （>5×105 n/cm2/s热中子通量）； 2、旋转样品台； 3、CCD照相系统； 3.1 中子闪烁体(LiF-ZnS)； 3.2 光路系统(反射、透镜)； 3.3 CCD相机系统（低噪声，光放大， ICCD相机）； 4、图像处理和重建软件的变化
模拟结果： 根据确定的元件尺寸： 3cm的金属铋，入口狭缝为ɸ2cm和ɸ4cm两种，每25cm
的铅屏蔽加一个2cm硼中子吸收体，总体长度为115cm，热中子出口大小为10cm。
中子照相孔道Geant4模拟热中子通量分布图
模拟结果：
在固定中子孔道参数的情况下，对样品成像进行了Geant4模拟。
中子与物体作用: 与核散射或者直接被核吸收，中子衰减与原子序数没有确定关系。
因而X射线照相无法区分原子序数相近的两种物质，但是中子可以区分它们。 例如：硼、碳、镉和锡，有相近的原子序数，但是能很容易被中子照相所区分。 对于轻元素，如氢和硼，对于X射线是透明的，而对中子有很强的吸收能力，中子很 难区分它们。 中子照相与X射线照相有很好的互补性，可以应用于不同的被照物体。