中子能譜測量的反沖質子探測系統設計

王冠鷹++歐陽曉平++顏俊堯

摘 要：中子與氫原子核的彈性散射產生反沖質子是最重要、最基礎、最常用的中子探測機制。反沖質子探測系統設計的基本任務是合理選擇適合的參量，確保探測系統性能最優。該文利用Geant4模擬程序建立相關模型，確定了聚乙烯靶的厚度，研究了屏蔽體的幾何參數、探測器的相對位置等參量對探測系統的影響，并得到了反沖質子產生時和出射時的能量、角度分布，以及0°和30°兩個方向的微分分布。該工作對反沖質子法測量中子能譜研究具有重要的意義。

關鍵詞：中子能譜 反沖質子法 優化設計 Geant4

中圖分類號：TL816 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0010-05

Design of Recoil Proton Detection System for Neutron Energy Spectrum Measurement

Wang Guanying1 Ouyang Xiaoping1，2 Yan Junyao1

（1.North China Electric Power University，Beijing，102206，China； 2.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xian Shaanxi，710024，China）

Abstract：It is the most important， the most basic andmost commonly neutron detection mechanism that elastic scatteringbetween hydrogen nuclei and neutron produces recoil proton. The basic task of system design is to find the appropriate parameters to ensure the optimal performance.In this paper，we established the correlation model by Geant4 simulation toolkit， determined the thickness of polyethylene target， and discussedthe effect of the shield geometric parameters and the detector relative position on the detection system. The angular distribution and energy spectrum of recoil proton at the moment when it is just generated and ejectionare obtained， as well as the recoil proton differential distribution in 0°and 30°are obtained. This work is great significance to the study of neutron spectrum measurement by recoil proton method.

Key Words：Neutron energy spectrum；Recoil proton method；Optimal design；Geant4

中子是輻射場最重要的探測對象之一，核裂變和聚變反應等原子核結構的變化都會釋放出中子，中子是核反應的直接參與者，也是核反應過程信息的重要攜帶者[1]。能譜是表征輻射場特性的主要參數指標，是核輻射探測器的主要探測目標。中子本身不帶電，反沖質子法是中子能譜測量的常用方法[2-4]，對于低強度寬脈沖中子輻射場能譜的高分辨率測量等飛行時間方法有困難的場合，仍然被廣泛使用。

反沖質子探測系統設計的基本目的是合理選擇適合的參量，確保有足夠多的反沖質子可以進入探測器同時盡量減少其他射線進入探測器產生干擾。反沖質子的產額、能譜、角度分布是探測系統性能的重要參量。該工作利用Geant4模擬程序對反沖質子探測系統的設計進行了研究，通過對反沖質子的產額、能譜和角度分布進行計算，確定了靶膜厚度、屏蔽體幾何參數、探測器相對位置等參量，得到了反沖質子在產生時與出射時的能量分布和角度分布變化，分析了在0°和30°兩個不同方向的所收集到的反沖質子微分分布。

1 探測系統設計目標

反沖質子法測量中子能譜的基本原理如圖1所示。聚乙烯（Polyethylene，PE，（CH2）n）的含氫量比較高，是一種常用的中質轉化靶。入射中子進入聚乙烯靶，與其中的氫原子核發生彈性散射，生成反沖質子，反沖質子沿一定角度出射，進入探測器被記錄，從而達到探測中子的目的。RPE是聚乙烯靶的厚度，是反沖質子的散射角，RD0是聚乙烯靶至探測器屏蔽體的距離，RH是探測器的入射孔的直徑。探測器屏蔽體由梯形結構的鐵屏蔽體和長方結構的鉛屏蔽體兩部分組成，目的是屏蔽其他方向的射線干擾。RD1和RD2分別為其厚度。

反沖質子探測系統設計的主要目標有兩個：（1）選取合適的RPE。使它能夠達到比較大的質子轉換率，同時選取的聚乙烯膜厚度不能對反沖質子的出射能量造成太大的影響；（2）選取合適的RH和RD0。RD1和RD2一般為固定值，RH/RD0+RD1+RD2決定了探測器所能接收到的反沖質子角度范圍，能夠使探測器最大限度地不受其他方向的射線干擾。

2 探測系統設計

2.1 聚乙烯靶厚度

對于能量確定的中子束，PE膜越厚反沖質子的產額也會越多。但是相應的，隨著PE膜的厚度增加，產生的反沖質子在穿透PE膜中就會損失過多的能量，出射反沖質子數也會變少。通過Geant4（GEometry ANd Tracking，幾何與徑跡）[7]建立了相關的模型，通過計算得到比較合適的PE膜厚度。

如圖2、圖3所示，PE膜厚度變化范圍0.05～5 mm，直徑10 mm，入射中子能量分別為14 MeV、11 MeV、7 MeV。隨著厚度增加，反沖質子的生成率不斷增加，且能量低的中子產生的反沖質子要比能量高的中子產生的反沖質子要多，這與反應截面的變化趨勢一致。在PE膜厚度較薄時，反沖質子的出射率變化與產生率變化基本相同，此時靶膜厚度對反沖質子出射的影響比較小。當PE膜厚度繼續增加，反沖質子的出射率會達到一個穩定值。

圖4、圖5分別展示了反沖質子在產生時與出射時的能量分布變化和出射角度分布變化。PE膜厚度取0.2 mm，入射中子能量取14 MeV，初始粒子數為1.0E8。實線表示反沖質子產生時的情況，虛線表示反沖質子出射時的情況。由圖可見，反沖質子出射方向分布于（-90°，90°）并呈前傾趨勢。相對于產生時的反沖質子，出射時大角度的反沖質子被嚴重削弱，這是由于大角度散射的反沖質子能量相對較低。當單能中子入射時，產生的反沖質子能量呈均勻分布，能譜形狀表現為矩形。出射時大部分能量較低的反沖質子被吸收，能量越低計數下降越顯著。

2.2 探測器相對位置

探測器的相對距離需要考慮兩個方面：一是對屏蔽體厚度的要求，也就是和的大小，要確保在探測環境中探測器不會受其他方向射線的干擾；二是對探測器距離聚乙烯靶的要求，要確保不會距離過短而造成收集到的散射角離散范圍太大對測量結果造成太大的誤差。

和的大小決定了探測系統對于來自其他方向的射線的隔絕能力，一組可選用的參數：鐵屏蔽體厚度為80 mm，鉛屏蔽體厚度為20 mm。

探測器所能接收到的出射反沖質子散射角離散范圍為：。RH一般為確定值，與PE膜的直徑相當，而且RD1和RD2也是確定值。大小取130～160 mm較為合適，此時收集到的散射角離散范圍為±1.7899°～±2.2025°。和都為確定值，也就是的變化范圍一般為30～60 mm或者更多。圖6展示了當取160 mm時，探測器在30°方向，反沖質子在XZ平面的徑跡圖。

2.3 反沖質子微分產額

依據之前的計算分析結果，我們分別計算了反沖質子在0°和30°兩個方向的微分產額，結果如圖7～圖10所示。0°方向探測器收集到的反沖質子能量峰值約在13 MeV附近，角度分布中心值為0.002 848°。30°方向探測器收集到的反沖質子分布與0°結果基本類似。但是相對于0°的結果，它的能量、角度分布的展寬會更大一些，而且產額相對較少。這是由于反沖質子出射角度前傾分布，而且其能量相對較低，在質子從PE膜中產生到出射、入射過程中，受到的散射更大一些。

3 結論

（1）如果靶膜厚度過大，反沖質子出射率不會增加反而會對反沖質子產生比較大的能損，如果靶膜厚度過小，反沖質子出射率比較低而有尚有提升的可能。比較合適的PE膜厚度為<1 mm。

（2）探測器相對距離取取130～160 mm較為合適，否則會因為距離過短而造成收集到的反沖質子角度離散范圍太大影響測量結果。

（3）如果探測器放置在0°出射角位置，那么可以接受更多的反沖質子，但是由于受到直面中子的照射，將受到中子及次級射線的影響。如果探測器選擇放置30°等非0°角方向，則可以有效避免其他射線的干擾，但收集的反沖質子數也會相應有所降低。具體可根據實際探測環境、中子源強度等決定。

參考文獻

[1] 丁大釗，葉春堂，趙志祥，等.中子物理學——原理、方法與應用[M].北京：原子能出版社，2005.

[2] 王松林，黃翰雄，阮錫超，等.Measurement of the neutron spectrum of a Pu-C source with a liquid scintillator[J].Chinese Physics C，2009， 33（5）：378-382.

[3] 安力，陳淵，郭海萍，等.含氫介質內中子能譜測量[J].原子能科學技術，2004，38（Z1）：89-92.

[4] 郭海萍，安力，王新華，等.D-T中子照射下貧化鈾球、釩球介質內中子能譜和伴生γ能譜測量[J].原子能科學技術，2007，41（3）：283-287.

[5] 劉金良.帶電粒子束能量測量的光學方法研究[D].清華大學，2013.

[6] 歐陽曉平.脈沖中子伽馬探測系統性能表征與設計技術[J].中國工程科學，2009（5）：44-43.

[7] Asai M.Geant4-A Simulation Toolkit[J]. Nuclear Instruments&Methods in Physics Research，2007，506（3）：250-303.