中子產(chǎn)額活化測量法中γ撥梅合探測效率的模擬計算

1、第16卷第4期2004年4月強激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.4Apr.,2004文章編號:100124322(2004)0420461204符合中子產(chǎn)額活化測量法中2探測效率的模擬計算白立新1,張一云1,吳麗萍1,徐家云1,趙慶昌1,孫大成1,馮杰2,王大海2,楊存榜2,陳玉婷2,溫樹槐2,鄭志堅2(1.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都610064;2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽621900)摘要:為了估計聚變中子產(chǎn)額Cu活化測量法中加速器中子源刻度與實際測量中幾何條件不一致對測符合探測效量結(jié)果的影響,通過對M

2、CNP進行二次開發(fā),用蒙特卡羅方法計算了這兩種情況下有角關(guān)聯(lián)的2率,通過與刻度實驗結(jié)果比較,驗證了計算結(jié)果的正確性,得出了幾何條件的差別引起探測效率的增加小于3%的結(jié)論。關(guān)鍵詞:激光核聚變;中子產(chǎn)額;蒙特卡羅方法;符合探測效率中圖分類號:TL816.3;TL822.3文獻標識碼:A慣性約束聚變(ICF)實驗的中子產(chǎn)額多少是聚變實驗成功與否的重要標志之一,是對ICF理論、激光器運行、靶制作和診斷手段的綜合檢驗。目前,ICF實驗中子產(chǎn)額的測量方法根據(jù)中子產(chǎn)額數(shù)量級大小而采用不同符合測量有較高的測量精度1,2。的方法。當(dāng)中子產(chǎn)額大于107中子/脈沖時,采用Cu活化法2在ICF實驗的中子產(chǎn)額測量中,為

3、了提高靈敏度,Cu活化樣品一般選得較大(如用70mm10mm的圓盤),且活化時與中子靶的距離小(10cm)。由于Cu片半徑較大,因此,單位面積Cu片在中心位置與邊沿位置對ICF中子源所張的立體角差別較大,致使活化后Cu片的放射性活度沿半徑的分布不均勻。而在加速器中子源刻度實驗中,由于束斑直徑一般為34mm,而且束斑中心點在一定范圍內(nèi)隨機偏移,為了達到點源近似,Cu片活化位置一般都在大于1m處,Cu片活化后活度沿半徑的分布近似為均勻分布。為了估算這兩種活度分布的差別對測量結(jié)果的影響,我們用蒙特卡羅方法對測量系統(tǒng)在這兩種條件下的探測效率進行了計算,通過與加速器刻度實驗結(jié)果比較,得出活度非均勻性對符

4、合探測效率的影響小于3%,并可用此計算結(jié)果對該影響進行修正。1測量裝置描述Cu活化法測量原理如圖1。Cu樣品活化后,立即放在兩個7.6cm7.6cm的NaI(Tl)探測器之間,Cu活化后生成的+粒子湮沒后放出兩條方向相反的0.511MeV射線,當(dāng)左右兩個探測器同時測量到1和2時,即有符合信號輸出。Fig.1SchematicofCuactivationmeasurement為了得到符合測量系統(tǒng)測量出的符合計數(shù)衰變曲圖1Cu活化法測量原理示意圖線與ICF實驗中子產(chǎn)額的關(guān)系,測量系統(tǒng)需在加速器中子源上刻度,刻度因子)(1)a=2/(RN式中:為測量系統(tǒng)對該放射性核素的符合探測效率;R為發(fā)射射線的分

5、支比;N為單位體積內(nèi)參加63Cu(n,2n)62Cu反應(yīng)的靶核數(shù);為反應(yīng)截面。由(1)式可知,刻度因子只與系統(tǒng)的符合探測效率和Cu樣品材料的物理參數(shù)有關(guān)。由于樣品材料的物理參數(shù)在刻度實驗和ICF實驗測量中均相同,因此,只要保證系統(tǒng)的符合探測效率在刻度實驗和ICF實收稿日期:2003205206;修訂日期:2003210229基金項目:國家863計劃項目資助課題),男,副教授,博士,現(xiàn)主要從事核技術(shù)應(yīng)用及核信息獲取與處理方面的研究工作。作者簡介:白立新(1963 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reser

6、ved.462強激光與粒子束第16卷驗測量中一致,即可得出正確的測量結(jié)果。2Cu活化樣品活度的徑向分布密度函數(shù)圓柱型Cu樣品放在點源中子場中活化,幾何關(guān)系如圖2。圖中,O點位置為中子源,s為中子源距Cu樣品中心點的距離,對距Cu樣品中心半徑為r處的rdr面積,相對于中子點源的立體角為2=2(2)d=22cos23/2s+r(s+r)式中cos表示Cu片面積在垂直于中子入射方向OA的平面BC上的投影。由于活化后Cu樣品的放射性活度分布與d成正比,d為徑向變量r的函數(shù)。在加速器中子源刻度f(r)=rFig.2GeometricalrelationofneutronsourceandCusample

7、圖2中子源與Cu樣品的幾何關(guān)系情況下,s遠大于r,Cu樣品活化后活度具有均勻分布,其徑向上的分布密度函數(shù)近似為(3)而在激光核聚變中子產(chǎn)額測量中,Cu樣品距離中子源10cm進行活化時,Cu樣品活化后放射性活度在徑向上的分布密度函數(shù)為223/2f(r)=r/(s+r)(4)由(3)和(4)式可知:加速器中子源刻度和激光核聚變中子產(chǎn)額測量兩種情況下的Cu樣品活化后放射性活度在徑向上的分布密度函數(shù)不同,因樣品邊沿的探測效率遠比中心小,因此總的符合探測效率會有明顯的差別。該差別將引起使用刻度因子推算中子產(chǎn)額時加大產(chǎn)額測量的誤差,為了估計這種誤差的大小,我們用蒙特卡羅方法對這兩種情況下的符合探測效率進行

8、了模擬。3符合探測效率的蒙特卡羅模擬方法用現(xiàn)有世界上公認的通用大型蒙特卡羅軟件來計算探測效率,具有可處理各種復(fù)雜幾何問題、截面數(shù)據(jù)豐富可靠、計算結(jié)果可信度高、工作量小等優(yōu)點。其中,MCNP程序即為廣泛使用的一種模擬中子、光子、電子輸運問題的蒙特卡羅程序之一,用它可以直接對每個探測器的探測效率進行計算3,4。但在本文涉及到的符合探測效率問題,由于符合事件是兩條方向相差180的射線的符合問題,兩條射線之間有強烈的角關(guān)聯(lián),因此,不能直接使用MCNP進行計算,必須對MCNP程序進行修改。經(jīng)分析,MCNP程序?qū)ν幌到y(tǒng),每次計算時抽樣順序相同,并且兩次源粒子抽樣之間的起始隨機數(shù)相差固定為4297個隨機數(shù)

9、,所以,對源粒子抽樣得出的坐標和方向序列,每次計算時是相同的。利用該特點,我們符合探測效率的軟件包,流程圖如圖3。開發(fā)出了計算湮沒后2用以上方法,計算每個樣品時抽樣5105次,計算結(jié)果的統(tǒng)計誤差小于0.5%,其結(jié)果見表1。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.符合探測效率的模擬計算第4期白立新等:中子產(chǎn)額活化測量法中2463coincidencedetectionefficiencysimulationFig.3Flowchartof2符合探測效率模擬計算流程圖圖32表1符合探測效率的計算

10、結(jié)果Table1Resultofcoincidencedetectionefficiencysimulationsamplessize/mmexperimentvalue(error%)0.0079(3.8)0.0091(4.4)0.0106(4.9)0.010(2.9)0.0118(1.6)0.0133(2.4)0.0125(3.0)calibratingconditioncomparewithcalibration/%符合探測效率的蒙特卡羅計算中。修改,可推廣到各種有角關(guān)聯(lián)的2參考文獻:符合計數(shù)系統(tǒng)的研制J.強激光與粒子束,2001,13(5):5991馮杰,王大海,楊存榜,等.聚變中子產(chǎn)

11、額銅活化法2602.(FengJ,WangDcoincidencecountingsystemofCuactivationmeasurementforfusionneutronyield.HighPowerLaserandParticleBeams,2001,13H,YangCB,etal.2(5):599602)2LawrenceLivermoreNationalLaboratory.LaserprogramannualreportR.UCRL250021286,1987. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All righ

12、ts reserved.464強激光與粒子束第16卷3BriesmeisterJF.MCNP2AgeneralMonteCarlocodeforneutronandphotontransportversion3AR.LA273962M,Rev.2,1986.4BriesmeisterJF.MCNP3BNewsletterR.LosAlamosNationalLaboratory,1988.coincidencedetectionefficiencySimulationofthe2inactivationmeasurmentforneutronyieldBAILi2xin1,ZHANGYi2yu

13、n1,WULi2ping1,XUJia2yun1,ZHAOQing2chang1,SUNDa2cheng1,FENGJie2,WANGDa2hai2,YANGCun2bang2,CHENYu2ting2,WENShu2huai2ZHENGZhi2jian2(1.CollegeofPhysicalScienceandTechnology,SichuanUniversity,Chengdu610064,Chian;Abstract:Inordertoevaluatetheinfluenceresultedfromthedifferencebetweenthesituationinwhichfusi

14、onneutronsaremeasuredbyCuactivationmethodandthesituationinwhichthecalibrationfactorisobtainedbyacceleratorneutronCuactivationmethod,theauthor,byfurthercoincidencedetectionefficiency.ThecorrectionofcalculationisdemonstrateddevelopingtheMCNPcode,calculatedtheangularcorrelated2bycomparingthecalculationwiththeexperimental