数值模拟高能中子照相.pdf

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1、第18卷第2期强激光与粒子束Vol.18，No.22006年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb.，2006文章编号：1001-4322（2006）02-0325-05*数值模拟高能中子照相1，222211章法强，杨建伦，李正宏，陈法新，应纯同，刘广均（1.清华大学工程物理系，北京100086；2.中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621900）摘要：模拟了14MeV中子在穿透样品后与闪烁体光纤的作用。对每根光纤中的能量沉积进行了计算，并转换成可见光（496nm）光子数。在模拟实验中，分析了影响图像质量的因素。计算了散射中子本底与闪烁体

2、和样品（聚乙烯）间距的关系。当间距为cm量级时，散射中子本底对图像的影响很小。计算表明系统对样品的甄别厚度与入射中子总数有关，在一定范围内近似与中子总数的对数成线性关系。通过模拟结果给出了理想平行中子束入射情况下系统的平面分辨率。关键词：数值模拟；14MeV中子；中子照相；平面分辨率中图分类号：TL99文献标识码：A高能中子照相作为一种无损检测方法，其优点在于高能中子单色性好，穿透力强，适合检测体积较大物［1］体，这一点是热中子照相和X射线照相不易达到的。而高能中子与闪烁体作用截面小，不易被记录，这使得［2-3］对中子源产额要求相对较高。近年来，随着中子源技术的进步，中子照相发展很

3、快，然而高能中子的辐射转换与记录仍是技术瓶颈。由闪烁体光纤阵列和CCD组成的中子成像系统（图1）对中子探测效率高，光收集效［3-4］果较好，成像时间快，是目前较为理想的系统。其原理是高能中子在闪烁体中通过碰撞作用将能量传递给氢原子核，反冲质子在闪烁体中的沉积能量转化为光子输出，然后由可见光CCD记录。用计算机模拟中子与样品及闪烁体光纤作用，记录每根光纤中的光子数，可以获得最小像素为光纤尺寸的模拟图像。模拟图像的质量受中子源参数、样品材料及样品与光纤阵列的距离等多种因素的影响。改变各种参数，可以获得最佳分辨效果的图像。这相当于给出了实验时各参数的参考值，对实际工作有重要意义。国际上通

4、用的MCNP等中子计算软件由于不跟踪反冲质子，当闪烁体尺寸小于其射程时，无法正确反映出反冲质［5］子在闪烁体中的能量沉积。为此，我们编写了相关计算程序，对影响图像质量的因素进行了研究。Fig.1PrincipleofaneutronimagingsystemFig.2FluorescenceyieldofplasticbasedonscintillationfiberarrayandCCDscintillatorvsenergyofparticles图1闪烁体光纤阵列加CCD中子成像系统原理图图2塑料闪烁体荧光光子数与带电粒子能量关系1物理模型与数学方法3闪烁体选用BCF20，其组

5、成为碳和氢，密度p=1.05g/cm。图2是该系列闪烁体荧光光子数与带电粒子沉积能量关系曲线。高能中子与核的作用仍以弹性散射为主，因此计算过程中，中子与物质的作用截面为相应的弹性散射截面。另外，中子在闪烁体中与碳核或氢核弹性碰撞后，反冲碳核获得的能量比反冲氢核小得多。而且，由图2可见，碳核产生荧光光子的能力差。所以在计算闪烁体产生的荧光光子数时，仅考虑反冲氢核的贡献。*收稿日期：2005-10-26；修订日期：2005-12-30基金项目：中国工程物理研究院双百人才基金资助课题（2004R0301）作者简介：章法强（1979—），男，博士生，核能科学与工程专业；zhangfaqia

6、ng@tsinghua.org.cn。326强激光与粒子束第18卷14MeV中子与氢核碰撞后，反冲质子能量在0～14MeV范围内均匀分布，其角分布的概率密度函数近似［6］为（fφ）=sin（2φ），φ∈［0，90］（1）式中：φ为反冲质子与中子入射方向夹角。质子在闪烁体中的射程可由TRIM程序计算，射程与能量的关系并非线性，这使得在计算光纤中质子能量沉积时需要进行数值模拟。图3是由程序计算的闪烁体中反冲氢核在垂直中子入射方向上投影射程R的概率函数，由图可知R<0.4mm的概率大于50%。即假设入射中子方向与闪烁体光纤平行时，质子在闪烁体光纤中的横向位移分布函数半高宽小于0.8mm。

7、考虑到方光纤对中子探测的有效面积大，选用0.5mm×0.5mm×100mm的方光纤100×100根构成阵列，对14MeV中子探测效率为η=21.4%。Fig.3ProbabilityfunctionofprojectedFig.4Ageometricmodelofparallelneutronrangeofrecoilprotononthex-yplanebeamincidencetosamplesandfibers图3反冲氢核在x-y平面上的投影射程分布函数图4平行