【摘要】：中子成像技術(shù)是現(xiàn)有的重要無損檢測(cè)技術(shù)之一,已經(jīng)在航空航天技術(shù)、核工業(yè)、軍事、考古、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。與X射線成像技術(shù)和γ射線成像技術(shù)相比,中子成像技術(shù)有其獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),因此成為其重要補(bǔ)充技術(shù)。但是中子成像技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短,在很多方面都有待進(jìn)一步研究和發(fā)展。在中子成像裝置中,中子準(zhǔn)直器的好壞對(duì)成像的分辨率、曝光時(shí)間有很大的影響,因此中子準(zhǔn)直系統(tǒng)的研究與發(fā)展是中子成像技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。本文使用MCNP程序?qū)χ凶訙?zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì),根據(jù)目前常見的準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)的不足之處,提出準(zhǔn)直器的改進(jìn)結(jié)構(gòu),在該結(jié)構(gòu)下對(duì)中子慢化和準(zhǔn)直、雜散中子和散射中子的降低、熱中子傳輸過程的保護(hù)、中子γ比的提高進(jìn)行研究和設(shè)計(jì),完成準(zhǔn)直器各部分材料和結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化選擇和設(shè)計(jì)。在模擬研究的過程中,以反應(yīng)堆作為中子源,源的能量分布采用熱中子麥克斯韋裂變譜,針對(duì)反應(yīng)堆發(fā)射的中子,對(duì)準(zhǔn)直系統(tǒng)的中子慢化體、中子屏蔽體、孔道襯里、孔道填充氣體、γ射線屏蔽體進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。模擬研究中,通過對(duì)比不同材料、結(jié)構(gòu)尺寸,依次完成準(zhǔn)直系統(tǒng)的研究和模擬設(shè)計(jì),通過對(duì)比視場(chǎng)范圍內(nèi)的中子平均通量、熱中子比例、中子γ比和視場(chǎng)范圍內(nèi)外的中子平均通量差,最終確定準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。最終確定準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以14cm的水為中子慢化劑,準(zhǔn)直器入口直徑2cm,全長(zhǎng)70cm,準(zhǔn)直比為35,視場(chǎng)直徑12cm。準(zhǔn)直器壁體由聚乙烯、碳化硼、鉛三層組成,準(zhǔn)直孔道由截錐、大半徑圓柱體、小半徑圓柱體三部分構(gòu)成,大小圓柱體的半徑差在孔道后端形成屏蔽結(jié)構(gòu),該屏蔽結(jié)構(gòu)厚35cm,其中聚乙烯24cm,碳化硼厚11cm。孔道內(nèi)壁涂飾硼砂襯里,孔道內(nèi)填充氦氣。該準(zhǔn)直系統(tǒng)在視場(chǎng)范圍內(nèi)可獲得的最大中子注量率達(dá)到2.6cm-2·s-1,其中熱中子占74.94%,視場(chǎng)范圍外中子注量率比視場(chǎng)范圍內(nèi)低2個(gè)數(shù)量級(jí),中子γ比達(dá)到2.18×1012cm-2·Sv-1,以上參數(shù)均可以滿足中子成像技術(shù)的要求。
【圖文】：

國(guó)工程物理研究院在 300#反應(yīng)堆上率先建立了國(guó)內(nèi)首套在線數(shù)字中子照相裝置，并于014 年建成了國(guó)內(nèi)首套中子層析成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10-13]。1.2 中子成像技術(shù)的特點(diǎn)與 X 射線成像相比，中子輻射成像的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：中子輻射照相的適用范圍涵蓋從低原子序數(shù)材料到高原子序數(shù)材料，而 X 射線照相只適用于高原子序數(shù)材料的成像。圖 1.1 顯示了熱中子質(zhì)量衰減系數(shù)和 X 射線質(zhì)量衰系數(shù)與原子序數(shù)的對(duì)比[14]。對(duì)于 X 射線，電磁相互作用取決于目標(biāo)材料中存在的電數(shù)，其質(zhì)量衰減系數(shù)在原子序數(shù)的大部分區(qū)域上是相對(duì)平滑的曲線。由于中子沒有電并且不受軌道電子的影響，所以對(duì)于中子沒有這種相關(guān)性[15]�？梢杂^察到，與 X 射相比，熱中子可以被諸如氫、鋰、硼和氮的輕核子高度衰減，還可以穿透重核，例如和钚，所以中子可以更深地穿透大多數(shù)材料。這個(gè)特征使得中子能夠檢測(cè) X 射線不能易地檢測(cè)的元素或同位素。

中子的數(shù)目大于相互作用之前存在的數(shù)目，并且該數(shù)目被稱為倍增。最后，可能發(fā)生裂變事件，產(chǎn)生兩個(gè)或更多個(gè)裂變碎片和更多的中子。每個(gè)相互作用以一定概率發(fā)生，用于反應(yīng)截面描述該概率。彈性截面通常是核的物理截面積。該區(qū)域?qū)τ谥睾说牡湫椭导s為 2×10-24cm2，使用不同的單位面積以避免使用這樣小的數(shù)目的不便。由符號(hào) b 表示的 barn（靶）被定義為 10-24cm2。熱中子相互作用截面通常在 0.001 和 1000b 之間，它們也是中子能量的函數(shù)。每個(gè)相互作用事件的概率彼此獨(dú)立，因此總截面是所有相互作用事件的概率的總和。中子成像基本原理如圖 2.2 所示[24]。
【學(xué)位授予單位】：東華理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL816.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2673370