中子产额活化测量法中γ拨梅合探测效率的模拟计算

1、第16卷第4期2004年4月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.4Apr.,2004文章编号:100124322(2004)0420461204符合中子产额活化测量法中2探测效率的模拟计算白立新1,张一云1,吴丽萍1,徐家云1,赵庆昌1,孙大成1,冯杰2,王大海2,杨存榜2,陈玉婷2,温树槐2,郑志坚2(1.四川大学物理科学与技术学院,四川成都610064;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)摘要:为了估计聚变中子产额Cu活化测量法中加速器中子源刻度与实际测量中几何条件不一致对测符合探测效量结果的影响,通过对M

2、CNP进行二次开发,用蒙特卡罗方法计算了这两种情况下有角关联的2率,通过与刻度实验结果比较,验证了计算结果的正确性,得出了几何条件的差别引起探测效率的增加小于3%的结论。关键词:激光核聚变;中子产额;蒙特卡罗方法;符合探测效率中图分类号:TL816.3;TL822.3文献标识码:A惯性约束聚变(ICF)实验的中子产额多少是聚变实验成功与否的重要标志之一,是对ICF理论、激光器运行、靶制作和诊断手段的综合检验。目前,ICF实验中子产额的测量方法根据中子产额数量级大小而采用不同符合测量有较高的测量精度1,2。的方法。当中子产额大于107中子/脉冲时,采用Cu活化法2在ICF实验的中子产额测量中,为

3、了提高灵敏度,Cu活化样品一般选得较大(如用70mm10mm的圆盘),且活化时与中子靶的距离小(10cm)。由于Cu片半径较大,因此,单位面积Cu片在中心位置与边沿位置对ICF中子源所张的立体角差别较大,致使活化后Cu片的放射性活度沿半径的分布不均匀。而在加速器中子源刻度实验中,由于束斑直径一般为34mm,而且束斑中心点在一定范围内随机偏移,为了达到点源近似,Cu片活化位置一般都在大于1m处,Cu片活化后活度沿半径的分布近似为均匀分布。为了估算这两种活度分布的差别对测量结果的影响,我们用蒙特卡罗方法对测量系统在这两种条件下的探测效率进行了计算,通过与加速器刻度实验结果比较,得出活度非均匀性对符

4、合探测效率的影响小于3%,并可用此计算结果对该影响进行修正。1测量装置描述Cu活化法测量原理如图1。Cu样品活化后,立即放在两个7.6cm7.6cm的NaI(Tl)探测器之间,Cu活化后生成的+粒子湮没后放出两条方向相反的0.511MeV射线,当左右两个探测器同时测量到1和2时,即有符合信号输出。Fig.1SchematicofCuactivationmeasurement为了得到符合测量系统测量出的符合计数衰变曲图1Cu活化法测量原理示意图线与ICF实验中子产额的关系,测量系统需在加速器中子源上刻度,刻度因子)(1)a=2/(RN式中:为测量系统对该放射性核素的符合探测效率;R为发射射线的分

5、支比;N为单位体积内参加63Cu(n,2n)62Cu反应的靶核数;为反应截面。由(1)式可知,刻度因子只与系统的符合探测效率和Cu样品材料的物理参数有关。由于样品材料的物理参数在刻度实验和ICF实验测量中均相同,因此,只要保证系统的符合探测效率在刻度实验和ICF实收稿日期:2003205206;修订日期:2003210229基金项目:国家863计划项目资助课题),男,副教授,博士,现主要从事核技术应用及核信息获取与处理方面的研究工作。作者简介:白立新(1963 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reser

6、ved.462强激光与粒子束第16卷验测量中一致,即可得出正确的测量结果。2Cu活化样品活度的径向分布密度函数圆柱型Cu样品放在点源中子场中活化,几何关系如图2。图中,O点位置为中子源,s为中子源距Cu样品中心点的距离,对距Cu样品中心半径为r处的rdr面积,相对于中子点源的立体角为2=2(2)d=22cos23/2s+r(s+r)式中cos表示Cu片面积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样品的放射性活度分布与d成正比,d为径向变量r的函数。在加速器中子源刻度f(r)=rFig.2GeometricalrelationofneutronsourceandCusample

7、图2中子源与Cu样品的几何关系情况下,s远大于r,Cu样品活化后活度具有均匀分布,其径向上的分布密度函数近似为(3)而在激光核聚变中子产额测量中,Cu样品距离中子源10cm进行活化时,Cu样品活化后放射性活度在径向上的分布密度函数为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变中子产额测量两种情况下的Cu样品活化后放射性活度在径向上的分布密度函数不同,因样品边沿的探测效率远比中心小,因此总的符合探测效率会有明显的差别。该差别将引起使用刻度因子推算中子产额时加大产额测量的误差,为了估计这种误差的大小,我们用蒙特卡罗方法对这两种情况下的符合探测效率进行

8、了模拟。3符合探测效率的蒙特卡罗模拟方法用现有世界上公认的通用大型蒙特卡罗软件来计算探测效率,具有可处理各种复杂几何问题、截面数据丰富可靠、计算结果可信度高、工作量小等优点。其中,MCNP程序即为广泛使用的一种模拟中子、光子、电子输运问题的蒙特卡罗程序之一,用它可以直接对每个探测器的探测效率进行计算3,4。但在本文涉及到的符合探测效率问题,由于符合事件是两条方向相差180的射线的符合问题,两条射线之间有强烈的角关联,因此,不能直接使用MCNP进行计算,必须对MCNP程序进行修改。经分析,MCNP程序对同一系统,每次计算时抽样顺序相同,并且两次源粒子抽样之间的起始随机数相差固定为4297个随机数

9、,所以,对源粒子抽样得出的坐标和方向序列,每次计算时是相同的。利用该特点,我们符合探测效率的软件包,流程图如图3。开发出了计算湮没后2用以上方法,计算每个样品时抽样5105次,计算结果的统计误差小于0.5%,其结果见表1。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.符合探测效率的模拟计算第4期白立新等:中子产额活化测量法中2463coincidencedetectionefficiencysimulationFig.3Flowchartof2符合探测效率模拟计算流程图图32表1符合探测效率的计算

10、结果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/%符合探测效率的蒙特卡罗计算中。修改,可推广到各种有角关联的2参考文献:符合计数系统的研制J.强激光与粒子束,2001,13(5):5991冯杰,王大海,杨存榜,等.聚变中子产

11、额铜活化法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强激光与粒子束第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