核查技术数值实验平台中的时间关联符合测量与中子多重性测量

为解决部件核查技术研究中实验数据较少、缺乏系统性的问题,建立了用于核部件属性认证的数值实验平台.该数值实验平台整合了用于模拟被动中子、被动γ射线、主动中子、主动高能光子、缓发中子探测方法的部件核查技术软件.平台新增了适用于时间关联符合测量和中子多重性测量的计算功能,该功能分别由DTB程序和NMC程序实现.本文主要介绍数值实验平台新功能的开发和应用,分别介绍这两种方法的物理原理与程序流程.对程序的验证由分别设计的两个数值实验完成.平台可以为利用统计方法研究核部件核查技术提供系统性的数据.

金属铀部件^(235)U富集度中子时间关联符合测量实验优化分析

金属铀部件235 U富集度中子时间关联符合测量实验采用252 Cf源驱动噪声分析法来获得金属铀部件的标签参数——源与探测器间的中子时间关联符合计数,用于相同几何、不同富集度的金属铀部件间的识别。本文对该实验进行了蒙特卡罗数值模拟,模拟计算结果表明,直穿布局下泄漏中子不能得到利用,且探测中子能量区间的选择会影响测量效果。根据实验布局和探测中子能量区间,对实验进行添加含氢反射层布置优化,方案优化后的实验模拟计算和测量结果均表明,优化实验方案提高了该测量方法对相同几何、不同富集度金属铀部件的识别能力。

基于^(252)Cf源驱动噪声分析法的铀部件裂变中子时间关联符合计数模拟研究

依据中子源驱动噪声分析法原理,针对铀材料或铀部件的质量属性测量问题,采用蒙特卡罗(MonteCarlo)模拟方法,模拟研究了几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形金属铀部件的质量测量,获得了与铀部件质量测量相对应的时间关联符合计数分布。研究结果表明,中子源注入铀部件后所构成的核信息系统,可根据源与探测器间的中子时间关联符合计数分布获得铀部件的质量等特性。通过对半径4.67 cm、质量8.00 kg的球形铀部件样品的模拟研究与分析,获得源-探测器之间的时间关联符合计数,基此,模拟研究了几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形铀部件,实现了对铀部件质量属性的测量。

时间关联符合法铀部件质量测量中的几何影响

外中子源注入铀部件后,根据两路探测器间的中子和gamma粒子时间关联符合计数分布可获得铀部件的质量等特性。本文利用粒子蒙特卡罗输运程序,对富集度相同、几何尺寸各异的4块半球壳形状的金属铀部件质量测量实验进行模拟,获得对应粒子的时间关联符合计数分布。然后,根据模拟计算结果,评估几何形状对质量分辨的影响。研究结果表明,4块半球壳金属铀部件的形状对其质量测量的影响不大。

时间关联符合法测量铀部件浓缩度

应用时间关联符合法对探测铀部件浓缩度进行了初步的实验研究,选用252Cf快电离室定时中子源,以及相应的仪器对质量(8 kg左右)与形状(半球壳)相似的高浓铀和贫化铀部件进行探测,获得了源与探测器之间的时间关联符合计数。通过对时间关联符合计数的分析,可以得到相关的标签参数来表征铀部件的浓缩度。这些参数对铀部件的浓缩度具有很高的敏感性,敏感系数达19.4%,能够有效地区分质量与形状相似而浓缩度不同的铀部件,达到核查铀部件的目的。

重离子治癌装置中γ-γ符合时间测量系统设计

为实现重离子治癌装置中γ-γ符合时间的高精度和高分辨率测量,设计实现了符合时间的测量系统,该系统主要由高速比较器构成的定时甄别电路和基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的时间−数字转换(TDC)电路构成。FPGA-TDC通过“粗”时间和“细”时间结合的方法实现精确的时间测量:“粗”时间测量采用二进制计数器实现,“细”时间测量基于片内缓冲器和寄存器阵列构成的级联延迟链实现。实测结果表明,该符合时间测量系统的本征时间间隔测量分辨好于276 ps(FWHM)。构建了H8500耦合LYSO晶体阵列组成的测量系统,并对22Na 511 keVγ射线进行测试,结果表明时间测量精度优于1.12 ns(FWHM),且通过统计分析有效符合时间得到的晶体阵列位置映射散点图清晰。

铀属性测量中的时间关联符合法研究进展

综述了在铀属性测量中,时间关联符合法的研究进展情况,简要地介绍了铀、钚的属性,核材料的被动与主动探测方式、时间关联符合法的基本原理、起源和发展,详细地归纳了时间关联符合法在计算方法、数值模拟、实验研究和应用研究四个方面的国内外研究现状,并分析了发展趋势及需要解决的问题。

用于In-Beam TOF-PET的时间校正系统

设计和构建了用于In-Beam TOF-PET时间校正的定时系统。该系统是由1对BaF2(φ40mm×45mm)晶体耦合到光电倍增管XP2020Q和标准核电子学插件构成。经测试,系统对511keVγ射线测量的最佳符合时间分辨达576ps。对光电倍增管、信号读取方式、定时放大器以及甄别器等对该定时系统时间分辨的影响进行了测试分析。结果表明:从光电倍增管打拿级引出信号的读取模式的系统分辨率最佳;光电倍增管类型,尤其是它的上升时间和电子渡越时间对定时系统性能影响较大。光电倍增管的上升时间和电子渡越时间越短,其定时性能越好。系统的定时性能也与电子学插件的组合有关。

符合测量实验方法研究

讨论研究了符合测量实验的有关问题 ,提出实验过程中的几个方法和技巧 .

双端输出塑料闪烁体探测器的符合关联测试

利用双端信号输出的塑料闪烁体与灵敏度高、时间响应快的硅光电倍增管构成塑料闪烁体探测器探头,并与后端的数字化转换器等电子学系统搭建成塑料闪烁体探测器系统。为了研究不同数据处理方法对真事件探测效率和能量分辨率的优化,分别使用标准γ源60Co和137Cs对塑料闪烁体探测器系统进行测试。研究了关联事件的符合时间窗对探测器真事件探测效率的影响,分析了波形的积分长度与脉冲信号甄别(Pulse Shape Discrimination,PSD)开窗法对能谱能量分辨率的改进。结果表明,在关联事件的符合时间窗为15 ns时,真事件探测效率最佳,当波形积分长度为80 ns时,通过PSD开窗后能量分辨率由原来的53.38%优化为42.21%。

用于符合测量的多通道符合计数器

符合测量在量子光学实验中有着重要的应用,它可以用于测量纠缠光子对和单光子干涉等实验。在使用过程中,经常用到三通道或更多通道的符合测量,这种情况下简单的门电路无法满足使用要求,而现场可编程门阵列(FPGA)为实现低成本、小体积的多通道符合计数系统提供了解决方案。同时,基于FPGA的多通道符合计数系统还可以提供ns精度的符合分辨时间,避免本底光噪声对探测器的影响,从而有效抑制偶然符合,进一步提高了多通道符合计数系统的性能。本文介绍了基于FPGA的多通道符合计数器,并实验测量了单光子探测器信号的符合计数。

用于铀钍含量测定的α计数方法

本文介绍了用α计数测量U/Th含量的原理和方法,研制了一种具有时间符合功能的α计数器。对一些地质样品进行测试,通过α总计数率和符合对计数率计算出U/Th含量,并将其结果和NaIγ能谱仪的分析结果进行对比,两种方法测量结果大致相近。结果表明:α计数器可用于地质样品中钍和铀含量的分析,进而进行年剂量率的估算。

用于PET的丝室信号恒比定时器

根据ＰＥＴ用丝室信号的特点，设计和实现了一种恒比定时器电路，该丝室及定时电路的双光子符合时间分辨率达到１９ｎｓ。

^(252)Cf自发裂变n/γ TOF和TCC谱的MC模拟

时间关联符合法是主动法测量裂变材料特征信息的有效方法之一。首先使用MCNP程序模拟了单个BC-501A液体闪烁体探测器探测252Cf自发裂变n/γ飞行时间谱,模拟谱与实测谱符合很好;在此基础上,模拟了两个BC-501A探测器探测252Cf自发裂变n/γ时间关联符合谱。结果表明,n/γ时间关联符合谱包含了n-n、γ-γ、n-γ和γ-n符合成分。

铀部件质量属性测量中的信噪比初步分析

利用蒙特卡罗程序对252Cf快电离室诱发不同质量金属铀部件的中子输运过程进行了模拟,获得屏蔽与直穿两种实验布局条件下252Cf快电离室与探测器之间的中子时间关联符合计数,初步评估测量过程中的信噪比,作为实验前端布局的重要依据。结果表明,两种布局下的信噪比均与铀部件质量成正比,直穿布局下的信噪比较高。

基于^(252)Cf源驱动噪声分析法的高浓缩铀部件外加反射层效应

针对高浓缩铀部件外加的反射层材质及厚度之效应可以巧妙避开核查这一问题,依据^(252)Cf中子源驱动噪声分析法原理,采用蒙特卡罗方法模拟研究了高浓缩球形金属铀部件的不同材料、厚度的反射层的效应,获得了相应的时间关联符合计数分布和中子产额。研究结果表明,对同一材料的反射层,反射层厚度愈大,中子产额愈大,即反射效果愈好。对于同一厚度的反射层,反射层材料的密度愈大,中子产额愈大,反射敷果愈好。

基于SiPM的乳腺专用PET探测模块研制与评价

基于单点型硅光电倍增管(Si PM)与LYSO闪烁晶体,研制了一种新型乳腺专用PET探测模块,并对其性能进行研究。该探测模块采用28×28根1.9 mm×1.9 mm×15 mm的LYSO晶体组成阵列,与8×8个单点型Si PM组成的阵列通过光导耦合,所产生的脉冲信号分别经过模拟、定时电路处理后送入高速采样电路完成信号处理。该探测模块能够实现1.9 mm位置分辨,12.73%平均能量分辨以及2.66 ns双探头符合时间分辨,具有较好的分辨性能,能够满足乳腺专用PET成像的设计需求。

无机闪烁体性能测试方案研究

为满足诸如大型对撞机实验探测器研制、空间载荷量能器等大科学工程和新型医疗影像设备TOF-PET对闪烁体的筛选需求,对闪烁体的闪烁性能(发射光谱、光输出、能量分辨率、衰减时间、余辉以及符合时间分辨率等)进行了研究,并针对不同闪烁体样品的测试需求设计了一整套完整的无机闪烁体性能测试方案。在发射光谱测试中选择了不同的激发源进行对比测试,对能量分辨率与符合时间分辨等闪烁性能的测试条件进行优化,并成功应用于热门闪烁体掺杂铈的硅酸钇镥(LYSO:Ce)和钆铝镓石榴石(GAGG:Ce)的性能研究中,取得了较好的测试结果。

eLORAN系统的GRI组合设计研究

针对增强型罗兰(eLORAN)系统增补发射台站建设中的组重复周期(GRI)选择问题,该文主要从数学的角度出发,提出一种基于交叉干扰率的筛选算法。该算法首先考虑了最小可用组重复周期以及秒信息量的要求,并在此基础上通过比较与临近的罗兰C台站间的相对交叉干扰率进行1次筛选;之后通过排列组合进行两两比较并2次筛选;最后,综合考虑数据率要求、系统规范、无交叉干扰等条件,得到最优组重复周期组合。随后,鉴于新型eLORAN系统的高精度授时要求,在GRI最优组合中进行了优选。分析结果表明,该方法得出的优选组合的平均交叉干扰率与现有导航台链相当,同时可兼顾授时需求,可以为高精度地基授时系统建设提供参考性建议和理论依据。

基于反馈调节的闪烁脉冲稀疏量化电平方法

PET探测器采用SQL采样电路对闪烁脉冲进行处理,可固定量化电平。零点噪声引起的电平翻转导致电压比较器长时间非正常发热,无法设置较低的量化电平,限制了探测器符合时间分辨率的提高。文中提出一种基于反馈调节的闪烁脉冲处理方法,该方法通过使用三极管饱和状态下的开关特性,对SQL量化样本进行反馈调节。利用延迟元件对量化样本进行延迟同步,产生可以随样本逻辑电平变化的量化电平,避免了零点噪声对SQL采样电路的影响。实验结果表明,在相等时间内,优化的SQL采样电路的采样量比原SQL采样电路的采样量减少了29%,符合时间分辨率提升了179.3 ps,有效减少了PET探测器无用功耗,提高了PET系统的符合时间分辨率。