影響中子符合計數器測量結果的因素探討

陸 宏，初泉麗，李多宏，劉立坤，陳芳雷，周志波

影響中子符合計數器測量結果的因素探討

陸 宏，初泉麗，李多宏，劉立坤，陳芳雷，周志波

（國家核安保技術中心，北京 102401）

在核材料衡算領域，中子計數測量是非破壞性分析技術中一種重要的方法，該技術可以對鈾钚等核材料進行定量分析。簡述了中子測量原理，并搭建中子平板探測器，對影響中子符合計數器測量結果的一些因素進行實驗研究，對該方法更好的應用具有一定的參考意義。

AWCC；中子測量；吸收；效率

隨著世界范圍內核電的復興和核技術產業的快速發展，核材料和其他放射性物質的應用更加廣泛，隨之而來核材料擴散和流失的風險也在加大。同時，國際社會安全形勢日趨復雜，恐怖分子和跨國犯罪組織非法獲取、販運核材料，甚至制造核恐怖事件的風險不容忽視。據國際原子能機構“非法販運核及其他放射性物質數據庫”（ITDB）統計，1996年至2019年全球共發生3 686起核材料或放射性材料的非法交易、盜竊或丟失事件，其中290起涉及非法販賣及惡意使用，12起涉及高濃鈾，2起涉及钚，尤其是2016年以來事件數量快速攀升，且多數丟失的材料未被找回。

鈾钚是重點關注的對象，在核安保領域對鈾、钚核材料的分析可以使用破壞性分析方法和非破壞性分析方法[1]；破壞性分析方法如Davies-Gray滴定方法和庫侖電位儀的方法，可分別用來測量鈾钚的含量，但需要破壞樣品，操作復雜，測量時間較長；也可以采用非破壞性分析方法，中子符合測量技術是非破壞性分析技術中的重要方法之一[2]，因為鈾钚都可以自發裂變產生中子，钚的偶同位素自發裂變率很高，可以在無源模式下測量钚和有源模式測量鈾[3-5]，對于大質量的238U都可以進行中子測量，結合同位素豐度分析，可以對鈾钚定量分析，中子測量不需要破壞樣品，尤其對大體積樣品可進行快速分析，不受射線的干擾，而且誤差很小。

簡述了中子測量原理，并搭建中子平板探測器，對影響中子符合計數器測量結果的一些因素進行實驗研究，對該方法更好的應用具有一定的參考意義。

1 中子測量原理

中子不帶電，具有很強的穿透性，中子探測器一般選用3He 正比計數管，主要利用3He 正比計數管與熱中子反應截面大的特點，其反應截面為5 330 ×10-26m2。其核反應如1 式所示:

3He 正比計數管工作示意圖如圖1 所述。熱中子與3He氣體發生核反應，釋放出能量使3He氣體發生電離，電離產生的電荷被收集放大形成電壓脈沖，經過放大器進一步放大，進行脈沖分析。

圖1 3He正比計數管工作原理圖

中子計數器接線示意圖如圖2所示。

圖2 中子計數器接線示意圖

2 實驗測量設備及組成

2.1 實驗測量設備

平板中子探測器系統[6-8]，自制；有源井形中子符合計數器（AWCC），堪培拉公司生產。

2.2 設備組成

平板中子探測器系統，主要有3He管、聚乙烯、高壓盒、JSR-15、電源、線纜和中子源組成，將中子源放置在平臺上，與探測器保持一定的距離，用隔擋將探測器與聚乙烯板固定，如圖3所示。

有源井形中子符合計數器（AWCC）由測量裝置、JSR-15中子移位寄存器，以及INCC數據獲取及分析軟件組成。AWCC符合中子測量裝置結構如圖4所示，測量腔尺寸為20.6cm×22.9cm(×)(有聚乙烯盤)，測量腔周圍的高密度聚乙烯慢化層中分兩圈排布了42根3He中子計數管，3He管被分為6組，每組7根。每組3He管接入一個JAB-01型放大/甄別電路板，6個JAB-01型放大/甄別電路板安裝在一個密封的電子學盒內。在測量過程中，可以通過與每組3He管相對應的LED指示燈來指示每個JAB-01的工作狀態。

圖3 平板中子探測器測量系統

圖4 AWCC測量裝置示意圖

3 測量結果與討論

3.1 中子吸收實驗

分別用鋁板，鐵板，銅板和鎘板做實驗，觀察對快中子和熱中子的吸收。按圖5所示位置擺放探測器，中子源與吸收板。聚乙烯板的厚度為1.9 cm。分別將金屬板插入A、B、C 3個位置，測量中子計數，忽略本底測量，每次測量時間100 s，測量結果如表1所示。

圖5 中子吸收實驗擺放位置圖

表1 不同材料對中子吸收影響

由表1可知，先在A位置放置Cu+Fe+Cd板，然后放置聚乙烯板，對中子吸收不大，若將兩者的位置交換，將3種金屬板放在B位置，中子吸收明顯；將Cu和Fe放置在B位置，中子計數只有微小的降低，對中子的吸收影響不明顯，Cd板對中子計數影響較大，主要是鎘板的吸收截面（2 450b）遠遠大于Cu和Fe（2.5b），鎘板在C位置時，中子計數略微降低，主要是鎘板吸收了環境本底中的中子和散射的中子。

3.2 中子屏蔽效應

對中子源進行屏蔽來研究中子慢化與吸收，源與探測器的位置與前面的試驗相同，移走所有的吸收與散射材料。假設252Cf源是外部的中子源，要對其進行屏蔽。將Cd板放置在源側，在Cd板與源之間放置10 cm聚乙烯板，測量100s，記錄結果如表2所示。

表2 聚乙烯板和鎘板對中子屏蔽效應

由表2可知，聚乙烯板對中子有很強的屏蔽作用，若屏蔽時采用聚乙烯板與鎘板的組合，屏蔽效果將更強，10 cm聚乙烯板將會使中子熱化，熱中子被Cd板吸收，不能到達探測器，故探測器計數降低。

3.3 偶然計數率與總中子計數率比值（A/T）的測試

在進行測量質量控制，驗證電子學線路正常一般是通過總中子計數率與門寬進行計算，總中子計數率能用來計算偶然計數率（calc=2）。估算的和測量的偶然中子計數率兩者之間在統計不確定度范圍內的不一致性表明符合電路硬件失效或本底中子計數率在測量期間顯著變化。將1枚252Cf源置于AWCC探測器測量腔中心位置，在信號觸發模式和快開門模式進行測量，測量時間100 s，結果如表3所示。

由表3可知，/calc值在1.0附近，表明電子學線路正常。

3.4 AWCC軸向與徑向效率驗證

使用252Cf中子源(5065#)，測定空腔條件下沿中心軸的軸向效率響應曲線和中心平面上的徑向效率響應曲線，圖6為軸向和徑向示意圖。將1枚252Cf源置于探測器測量腔軸向與徑向不同位置，進行測量，時間10s，計算探測器的效率=（總計數率-本底計數率）/源活度，測量結果如圖7和8所示。

表3 電子學線路驗證結果

圖6 軸向與徑向示意圖

由圖7可知，效率最大值位置在距離底部27 cm處，越往上下兩端，效率越低，腔體中心位置距離底部30 cm。

由圖8可知，在中心點處，徑向不同位置進行測量，計數值沒有發生很大變化，因此樣品左右位置的擺放，對結果影響較小。

在中心水平面取289個點進行模擬計算（圖9），點與點之間的距離為1.5 cm，平均中子探測效率為37.8%，相對標準偏差小于1.1%。

3.5 γ源對測量的影響

先將1枚252Cf源（編號5065#）固定于探測器測量腔中心位置，進行測量，時間30 s，再將另1枚0.1mCi152Eu源置于測量腔中心和儀器外面不同位置處，進行測量，結果如下：

圖7 軸向效率驗證

圖8 徑向效率驗證

圖9 模擬計算的測量腔中心平面的探測效率

由表4可見，源在不同位置處的計數基本無變化，不論源在儀器內，還是儀器外，對測量結果基本不產生影響。

3.6 偶然中子事件的影響

先將1枚252Cf源，源號M2-746，置于探測器測量腔中心位置，進行測量，時間100 s，保持測量腔中的源不動，將另外1枚252Cf源，源號FTC-CF-5066，置于探測器外面5 cm處，再次進行測量，測量時間100 s，分析外部偶然中子對總計數率和符合計數率的影響，結果如下。

由表5可知，外部的偶然中子事件對樣品測量的總計數影響較大，對符合計數幾乎沒有影響。由于射線照射管壁材料（Al或Fe）而產生的次級電子引起的脈沖信號是隨機信號，在時間上不具有相關性，對符合中子計數率D沒有貢獻。但是，核材料的裂變中子，在時間上是相關聯的，幾乎同時（10－13s）發射出來。因此利用專用的中子符合分析電路進行符合測量，能夠從根本上消除射線對核材料裂變中子的測量分析影響。

表4 γ源對測量的影響結果

表5 偶然事件的影響

4 結論

中子測量技術是非破壞性分析的重要技術之一，本實驗分別用鋁板，鐵板，銅板和鎘板進行研究，快中子與聚乙烯板作用后，產生熱中子，鎘板對熱中子的吸收作用最強；探測器電子學線路是否正常，通常用/calc進行檢驗，其值在1.0附近，表明電子學線路正常；測定樣品腔沿中心的軸向效率響應曲線和中心平面上的徑向效率響應曲線，軸向越往上下兩端，效率越低，徑向不同位置進行測量，計數值沒有發生很大變化，所以樣品左右位置的擺放，對結果影響不大；在合適的工作電壓下，γ源對測量結果幾乎無影響，影響測量結果的因素還有儀器的結構等參數，還需進一步討論。

[1] REILLY D，ENSSLIN N，SMITH JR H，et al. Passive nondestructive assay of nuclear materials[R]. Washington: Nuclear Regulatory Commission，1991.

[2] 蒙延泰，王效忠，祝利群. 中子測量技術在核保障中的應用[J].核電子學與探測技術，2008，28(4)：707-716.

MENG Yantai，WANG Xiaozhong，ZHU Liqun. Application of Neutron Measurement Technology in Nuclear Safeguards[J]. Nuclear Electronics &Detection Technology，2008，28(4)：707-716.

[3] 王效忠，賈向軍，劉建剛，等. 采用無源符合中子法測量含钚材料[J].原子能科學技術，1998，32(3)：233-238.

WANG Xiaozhong，JIA Xiangjun，LIU Jiangang，et al. Measurement of plutonium-containing materials by passive coincidence neutron method[J]. Atomic Energy Science and Technology，1998，32(3)：233-238.

[4] 趙德山，陳琦，陳想林. 有源符合中子法探測高濃縮鈾的技術研究[J]. 核電子學與探測技術，2004，24(6)：182-184.

ZHAO Deshan，CHEN Qi，CHEN Xianglin. Research on the technology of active coincidence neutron detection of highly enriched uranium[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，2004，24(6)：182-184.

[5] 孫詩奇，胡力元，侯英偉，等. 主動中子多重性鈾質量測量模擬研究[J]. 原子核物理評論，2019，36(2)：266-271.

SUN Shiqi，HU Liyuan，HOU Yingwei，et al. Simulation study on active neutron multiplicity uranium mass measurement[J]. Nuclear Physics Review，2019，36(2)：266-271.

[6] Ferrer M M，Peerani P，Looman M R，et al. Design and performances of the scrap neutron multiplicity counter[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2007，574(2)：297-314.

[7] 王中杰，張全虎，劉杰，等. 基于MCNP模擬的中子多重性計數器3He管的設計[J]. 核電子學與探測技術，2010，30(12)：1626-1628.

WANG Zhongjie, ZHANG Quanhu, LIU Jie, et al. Design of3He tube for neutron multiplicity counter based on MCNP simulation[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，2010，30(12)：1 626-1 628.

[8] 陳利高，劉曉波，龔建，等. 中子多重性探測器搭建及參數標定[J]. 清華大學學報，2014，54（2）：159-162.

CHEN Ligao，LIU Xiaobo，GONG Jian，et al. Construction and parameter calibration of neutron multiplicity detector[J]. Journal of Tsinghua University，2014，54(2)：159-162.

Discussion on the factors influencing the measurement results of AWCC

LU Hong，CHU Quanli，LI Duohong，LIU Likun，CHEN Fanglei，ZHOU Zhibo

(State Nuclear Security Technology Center，Beijing 102401，China)

Neutron measurement technology is an important method of non-destructive analysis technology in the field of nuclear material accounting, which can quantitatively analyze uranium, plutonium and other nuclear materials. This paper briefly describes the principle of neutron measurement, builds flat-panel detector and carries out experimental research on some factors affecting AWCC measurement results, which has certain reference significance for better use of this method.

AWCC；neutron measurement；absorption；efficiency

TL271；TL273

A

1672-0636(2021)03-0373-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2021.03.011

2021-01-20；

2021-02-19

陸宏（1979— ），女，山東膠州人，工程師，主要從事核軍標研究，大型基建項目管理，核安保國際合作與交流等工作。E-mail：hong_lu@snstc.org

李多宏（1981— ），男，甘肅天水人，高級工程師，主要從事核材料衡算技術研究。E-mail：duohong_li@snstc.org