中子產(chǎn)額活化測(cè)量法中γ撥梅合探測(cè)效率的模擬計(jì)算

1、第16卷第4期2004年4月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.4Apr.,2004文章編號(hào):100124322(2004)0420461204符合中子產(chǎn)額活化測(cè)量法中2探測(cè)效率的模擬計(jì)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(shù)槐2,鄭志堅(jiān)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(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽(yáng)621900)摘要:為了估計(jì)聚變中子產(chǎn)額Cu活化測(cè)量法中加速器中子源刻度與實(shí)際測(cè)量中幾何條件不一致對(duì)測(cè)符合探測(cè)效量結(jié)果的影響,通過(guò)對(duì)M

2、CNP進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),用蒙特卡羅方法計(jì)算了這兩種情況下有角關(guān)聯(lián)的2率,通過(guò)與刻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性,得出了幾何條件的差別引起探測(cè)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(cè)效率中圖分類(lèi)號(hào):TL816.3;TL822.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A慣性約束聚變(ICF)實(shí)驗(yàn)的中子產(chǎn)額多少是聚變實(shí)驗(yàn)成功與否的重要標(biāo)志之一,是對(duì)ICF理論、激光器運(yùn)行、靶制作和診斷手段的綜合檢驗(yàn)。目前,ICF實(shí)驗(yàn)中子產(chǎn)額的測(cè)量方法根據(jù)中子產(chǎn)額數(shù)量級(jí)大小而采用不同符合測(cè)量有較高的測(cè)量精度1,2。的方法。當(dāng)中子產(chǎn)額大于107中子/脈沖時(shí),采用Cu活化法2在ICF實(shí)驗(yàn)的中子產(chǎn)額測(cè)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(pán)),且活化時(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)中,由于束斑直徑一般為34mm,而且束斑中心點(diǎn)在一定范圍內(nèi)隨機(jī)偏移,為了達(dá)到點(diǎn)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,我們用蒙特卡羅方法對(duì)測(cè)量系統(tǒng)在這兩種條件下的探測(cè)效率進(jìn)行了計(jì)算,通過(guò)與加速器刻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,得出活度非均勻性對(duì)符

4、合探測(cè)效率的影響小于3%,并可用此計(jì)算結(jié)果對(duì)該影響進(jìn)行修正。1測(cè)量裝置描述Cu活化法測(cè)量原理如圖1。Cu樣品活化后,立即放在兩個(gè)7.6cm7.6cm的NaI(Tl)探測(cè)器之間,Cu活化后生成的+粒子湮沒(méi)后放出兩條方向相反的0.511MeV射線(xiàn),當(dāng)左右兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)測(cè)量到1和2時(shí),即有符合信號(hào)輸出。Fig.1SchematicofCuactivationmeasurement為了得到符合測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出的符合計(jì)數(shù)衰變曲圖1Cu活化法測(cè)量原理示意圖線(xiàn)與ICF實(shí)驗(yàn)中子產(chǎn)額的關(guān)系,測(cè)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(cè)量系統(tǒng)對(duì)該放射性核素的符合探測(cè)效率;R為發(fā)射射線(xiàn)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(cè)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(shí)驗(yàn)和ICF實(shí)驗(yàn)測(cè)量中均相同,因此,只要保證系統(tǒng)的符合探測(cè)效率在刻度實(shí)驗(yàn)和ICF實(shí)收稿日期:2003205206;修訂日期:2003210229基金項(xiàng)目:國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)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(jiǎn)介:白立新(1963 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reser

6、ved.462強(qiáng)激光與粒子束第16卷驗(yàn)測(cè)量中一致,即可得出正確的測(cè)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(diǎn)源中子場(chǎng)中活化,幾何關(guān)系如圖2。圖中,O點(diǎn)位置為中子源,s為中子源距Cu樣品中心點(diǎn)的距離,對(duì)距Cu樣品中心半徑為r處的rdr面積,相對(duì)于中子點(diǎn)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(wàn)(r)=rFig.2GeometricalrelationofneutronsourceandCusample

7、圖2中子源與Cu樣品的幾何關(guān)系情況下,s遠(yuǎn)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(cè)量中,Cu樣品距離中子源10cm進(jìn)行活化時(shí),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(cè)量?jī)煞N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(cè)效率遠(yuǎn)比中心小,因此總的符合探測(cè)效率會(huì)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(shí)加大產(chǎn)額測(cè)量的誤差,為了估計(jì)這種誤差的大小,我們用蒙特卡羅方法對(duì)這兩種情況下的符合探測(cè)效率進(jìn)行

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

9、,所以,對(duì)源粒子抽樣得出的坐標(biāo)和方向序列,每次計(jì)算時(shí)是相同的。利用該特點(diǎn),我們符合探測(cè)效率的軟件包,流程圖如圖3。開(kāi)發(fā)出了計(jì)算湮沒(méi)后2用以上方法,計(jì)算每個(gè)樣品時(shí)抽樣5105次,計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差小于0.5%,其結(jié)果見(jiàn)表1。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.符合探測(cè)效率的模擬計(jì)算第4期白立新等:中子產(chǎn)額活化測(cè)量法中2463coincidencedetectionefficiencysimulationFig.3Flowchartof2符合探測(cè)效率模擬計(jì)算流程圖圖32表1符合探測(cè)效率的計(jì)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(cè)效率的蒙特卡羅計(jì)算中。修改,可推廣到各種有角關(guān)聯(lián)的2參考文獻(xiàn):符合計(jì)數(shù)系統(tǒng)的研制J.強(qiáng)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(qiáng)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