中子能谱测量的反冲质子探测系统设计

王冠鹰++欧阳晓平++颜俊尧

摘 要：中子与氢原子核的弹性散射产生反冲质子是最重要、最基础、最常用的中子探测机制。反冲质子探测系统设计的基本任务是合理选择适合的参量，确保探测系统性能最优。该文利用Geant4模拟程序建立相关模型，确定了聚乙烯靶的厚度，研究了屏蔽体的几何参数、探测器的相对位置等参量对探测系统的影响，并得到了反冲质子产生时和出射时的能量、角度分布，以及0°和30°两个方向的微分分布。该工作对反冲质子法测量中子能谱研究具有重要的意义。

关键词：中子能谱 反冲质子法 优化设计 Geant4

中图分类号：TL816 文献标识码：A 文章编号：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

中子是輻射场最重要的探测对象之一，核裂变和聚变反应等原子核结构的变化都会释放出中子，中子是核反应的直接参与者，也是核反应过程信息的重要携带者[1]。能谱是表征辐射场特性的主要参数指标，是核辐射探测器的主要探测目标。中子本身不带电，反冲质子法是中子能谱测量的常用方法[2-4]，对于低强度宽脉冲中子辐射场能谱的高分辨率测量等飞行时间方法有困难的场合，仍然被广泛使用。

反冲质子探测系统设计的基本目的是合理选择适合的参量，确保有足够多的反冲质子可以进入探测器同时尽量减少其他射线进入探测器产生干扰。反冲质子的产额、能谱、角度分布是探测系统性能的重要参量。该工作利用Geant4模拟程序对反冲质子探测系统的设计进行了研究，通过对反冲质子的产额、能谱和角度分布进行计算，确定了靶膜厚度、屏蔽体几何参数、探测器相对位置等参量，得到了反冲质子在产生时与出射时的能量分布和角度分布变化，分析了在0°和30°两个不同方向的所收集到的反冲质子微分分布。

1 探测系统设计目标

反冲质子法测量中子能谱的基本原理如图1所示。聚乙烯（Polyethylene，PE，（CH2）n）的含氢量比较高，是一种常用的中质转化靶。入射中子进入聚乙烯靶，与其中的氢原子核发生弹性散射，生成反冲质子，反冲质子沿一定角度出射，进入探测器被记录，从而达到探测中子的目的。RPE是聚乙烯靶的厚度，是反冲质子的散射角，RD0是聚乙烯靶至探测器屏蔽体的距离，RH是探测器的入射孔的直径。探测器屏蔽体由梯形结构的铁屏蔽体和长方结构的铅屏蔽体两部分组成，目的是屏蔽其他方向的射线干扰。RD1和RD2分别为其厚度。

反冲质子探测系统设计的主要目标有两个：（1）选取合适的RPE。使它能够达到比较大的质子转换率，同时选取的聚乙烯膜厚度不能对反冲质子的出射能量造成太大的影响；（2）选取合适的RH和RD0。RD1和RD2一般为固定值，RH/RD0+RD1+RD2决定了探测器所能接收到的反冲质子角度范围，能够使探测器最大限度地不受其他方向的射线干扰。

2 探测系统设计

2.1 聚乙烯靶厚度

对于能量确定的中子束，PE膜越厚反冲质子的产额也会越多。但是相应的，随着PE膜的厚度增加，产生的反冲质子在穿透PE膜中就会损失过多的能量，出射反冲质子数也会变少。通过Geant4（GEometry ANd Tracking，几何与径迹）[7]建立了相关的模型，通过计算得到比较合适的PE膜厚度。

如图2、图3所示，PE膜厚度变化范围0.05～5 mm，直径10 mm，入射中子能量分别为14 MeV、11 MeV、7 MeV。随着厚度增加，反冲质子的生成率不断增加，且能量低的中子产生的反冲质子要比能量高的中子产生的反冲质子要多，这与反应截面的变化趋势一致。在PE膜厚度较薄时，反冲质子的出射率变化与产生率变化基本相同，此时靶膜厚度对反冲质子出射的影响比较小。当PE膜厚度继续增加，反冲质子的出射率会达到一个稳定值。

图4、图5分别展示了反冲质子在产生时与出射时的能量分布变化和出射角度分布变化。PE膜厚度取0.2 mm，入射中子能量取14 MeV，初始粒子数为1.0E8。实线表示反冲质子产生时的情况，虚线表示反冲质子出射时的情况。由图可见，反冲质子出射方向分布于（-90°，90°）并呈前倾趋势。相对于产生时的反冲质子，出射时大角度的反冲质子被严重削弱，这是由于大角度散射的反冲质子能量相对较低。当单能中子入射时，产生的反冲质子能量呈均匀分布，能谱形状表现为矩形。出射时大部分能量较低的反冲质子被吸收，能量越低计数下降越显著。

2.2 探测器相对位置

探测器的相对距离需要考虑两个方面：一是对屏蔽体厚度的要求，也就是和的大小，要确保在探测环境中探测器不会受其他方向射线的干扰；二是对探测器距离聚乙烯靶的要求，要确保不会距离过短而造成收集到的散射角离散范围太大对测量结果造成太大的误差。

和的大小决定了探测系统对于来自其他方向的射线的隔绝能力，一组可选用的参数：铁屏蔽体厚度为80 mm，铅屏蔽体厚度为20 mm。

探测器所能接收到的出射反冲质子散射角离散范围为：。RH一般为确定值，与PE膜的直径相当，而且RD1和RD2也是确定值。大小取130～160 mm较为合适，此时收集到的散射角离散范围为±1.7899°～±2.2025°。和都为确定值，也就是的变化范围一般为30～60 mm或者更多。图6展示了当取160 mm时，探测器在30°方向，反冲质子在XZ平面的径迹图。

2.3 反冲质子微分产额

依据之前的计算分析结果，我们分别计算了反冲质子在0°和30°两个方向的微分产额，结果如图7～图10所示。0°方向探测器收集到的反冲质子能量峰值约在13 MeV附近，角度分布中心值为0.002 848°。30°方向探测器收集到的反冲质子分布与0°结果基本类似。但是相对于0°的结果，它的能量、角度分布的展宽会更大一些，而且产额相对较少。这是由于反冲质子出射角度前倾分布，而且其能量相对较低，在质子从PE膜中产生到出射、入射过程中，受到的散射更大一些。

3 结论

（1）如果靶膜厚度过大，反冲质子出射率不会增加反而会对反冲质子产生比较大的能损，如果靶膜厚度过小，反冲质子出射率比较低而有尚有提升的可能。比较合适的PE膜厚度为<1 mm。

（2）探测器相对距离取取130～160 mm较为合适，否则会因为距离过短而造成收集到的反冲质子角度离散范围太大影响测量结果。

（3）如果探测器放置在0°出射角位置，那么可以接受更多的反冲质子，但是由于受到直面中子的照射，将受到中子及次级射线的影响。如果探测器选择放置30°等非0°角方向，则可以有效避免其他射线的干扰，但收集的反冲质子数也会相应有所降低。具体可根据实际探测环境、中子源强度等决定。

参考文献

[1] 丁大釗，叶春堂，赵志祥，等.中子物理学——原理、方法与应用[M].北京：原子能出版社，2005.

[2] 王松林，黄翰雄，阮锡超，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，陈渊，郭海萍，等.含氢介质内中子能谱测量[J].原子能科学技术，2004，38（Z1）：89-92.

[4] 郭海萍，安力，王新华，等.D-T中子照射下贫化铀球、钒球介质内中子能谱和伴生γ能谱测量[J].原子能科学技术，2007，41（3）：283-287.

[5] 刘金良.带电粒子束能量测量的光学方法研究[D].清华大学，2013.

[6] 欧阳晓平.脉冲中子伽马探测系统性能表征与设计技术[J].中国工程科学，2009（5）：44-43.

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