[发明专利]一种自给能中子探测器结构的优化设计方法

摘要

一种自给能中子探测器的优化设计方法，步骤如下：1、选取自给能中子探测器几何体的形状及参数；2、在程序中建立基本几何特征层；3、给基本几何特征层赋予材料；4、定义初始入射的中子的能量、位置以及入射方向；5、添加所需的物理过程；6、模拟中子入射后与材料的物理作用过程，并记录发射体或绝缘体漂移至收集体的次级电子的数目和到达时间，然后分类输出；7、计算自给能中子探测器的中子灵敏度以及瞬态电流所占的比例；8、保存数据点并判断是否返回步骤2；9、得到探测器性能随探测器参数的变化曲线；10、最终根据所需确定探测器的结构及尺寸，提高探测器性能；本方法可针对任何反应堆堆型中的中子能谱进行专门的优化设计。

主权项

1.一种自给能中子探测器结构的优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：选取自给能中子探测器几何体的形状及参数，包括探测器的结构，发射体半径，绝缘体厚度，收集体厚度以及发射体、绝缘体和收集体的共同长度，自给能中子探测器的结构从内到外依次为发射体、绝缘体和收集体，探测器几何参数的初始值根据自给能中子探测器的尺寸选取，其中发射体半径、绝缘体厚度和收集体厚度在自给能中子探测器的尺寸基础上减小一半后的±0.1mm范围内选取，而发射体、绝缘体和收集体的共同长度在自给能中子探测器的尺寸基础上减小一半后的±1cm范围内选取；步骤2：在蒙特卡罗软件中输入探测器几何参数建立自给能中子探测器的基本几何特征层，基本几何特征层分为同轴的三部分，从内到外分别为发射体、绝缘体和收集体，第一次按步骤1所选用的探测器几何参数的初始值建立，而后按经过步骤8循环回到步骤2时的新几何参数建立；步骤3：给步骤2中建立的基本几何特征层赋予材料，发射体层赋予发射体材料，绝缘体层赋予绝缘体材料，收集体层赋予收集体材料，材料的参数包括：材料的密度、核素及其比例；步骤4：定义初始入射的中子的能量、位置以及入射方向，入射中子的能量通过对所测量对象的中子能谱进行随机抽样获得，入射中子的位置和入射方向根据所研究中子的实际入射情况设定；步骤5：根据入射中子的能量以及入射后发生的反应在蒙特卡罗软件中添加物理过程；这些物理过程包括中子的弹性散射、中子的非弹性散射、中子俘获反应、光电效应、康普顿散射、电子对效应、电子的电离、电子的韧致辐射以及放射性核素的衰变，在蒙特卡罗软件模拟过程中，添加这些物理过程后，当发生其中一种反应时，软件就会自动选用该反应所对应的截面数据或半衰期进行蒙特卡罗模拟；步骤6：模拟一定数目的中子入射事例：在每个事例中，模拟中子入射后与步骤3中所赋予的材料发生的物理相互作用过程，并判断电子是否由发射体或绝缘体漂移至收集体；如果是直接在收集体产生的电子，就舍弃，如果是由发射体或绝缘体漂移至收集体的电子，就输出这些电子的数目和到达时间；步骤7：计算自给能中子探测器在步骤2所设置的尺寸下的中子灵敏度S和瞬发电流所占的比例p；计算方法如下：设在同一时刻入射了N个中子，由这N个中子在发射体和绝缘体中经过一系列相互作用后产生的并漂移至收集体的总电子数为M，电子电量e＝1.6×10‑19C，将这些电子到达收集体时的时间以△t的间隔进行分组统计，然后用每一组中的电子数乘以电子电量e再除以时间间隔长度△t就得到时间间隔长度△t内的平均电流，因为所有中子是同时入射的，所以得到的电流是冲击响应电流，对冲击响应电流做卷积处理得到阶跃响应电流；在阶跃响应中，当电流达到稳定时，总电流的值It在数值上满足如下关系：式中总电流It表示在阶跃响应中当电流达到稳定时单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的所有电子形成的电流，其单位为安培A；设由这N个中子在发射体和绝缘体中经过一系列相互作用后产生的并漂移至收集体的瞬发电子数为K，经过同样的处理后，在阶跃响应中，当电流达到稳定时，瞬发电流If在数值上满足：式中瞬发电流If表示在阶跃响应中当电流达到稳定时单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的瞬发电子形成的电流，其单位为安培A；因此，瞬发电流所占的比例p为式中瞬发电流所占比例p表示单位时间内在发射体和绝缘体中产生的并漂移至收集体的瞬发电子形成的电流在总电流中所占的比例；设探测器的横截面积为A，单位为cm2，则入射的中子通量密度Ф为式中中子通量密度Ф表示单位时间内入射到探测器单位横截面积上的中子数，其单位为cm‑2·s‑1；探测器的中子灵敏度S为式中中子灵敏度S表示单位中子通量密度下自给能中子探测器形成的电流的强度，其单位为A·cm2·s；步骤8：保存数据点，数据点的内容包括步骤2中所设置的发射体半径，绝缘体厚度，收集体厚度，发射体、绝缘体和收集体的共同长度以及在步骤2所设置的尺寸下由步骤7计算出的中子灵敏度S和瞬发电流所占比例p；并根据如下判断规则决定是否返回步骤2，如果判断结果决定不用返回步骤2，则执行步骤9，如果判断结果决定要返回步骤2，则调整探测器的几何参数，调整方法为固定发射体半径、绝缘体厚度、收集体厚度以及发射体、绝缘体和收集体的共同长度四个参数之中的三项，剩下一项以一定的步长进行调整，调整完后返回步骤2；判断规则为：每一个形状参数值对应一个中子灵敏度和一个瞬发电流所占的比例，通过在每次蒙特卡罗软件运行时改变发射体半径、绝缘体厚度、收集体厚度以及发射体、绝缘体、收集体的共同长度这四个形状参数值之中的一项，来得到中子灵敏度和瞬发电流所占比例随所述四个形状参数值的变化曲线，然后选取适合所测量对象的最佳形状参数值，如果有合适的尺寸或者瞬发电流所占比例已经稳定，就执行步骤9，如果不满足设定的结束条件，则调整探测器的结构参数，然后返回步骤2，重复上述步骤2到步骤8；步骤9：输出所有结果，利用输出的数据，得到探测器性能随探测器参数的变化曲线；步骤10：最终根据所需确定探测器的结构及尺寸，达到提高探测器性能的目的。