反应堆瞬发γ活化成像技术研究进展

瞬发γ活化成像技术(Prompt Gamma Activation Imaging,PGAI)是基于瞬发γ中子活化分析技术(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGAA)的一种新型元素成像技术,具有PGAA非破坏性、高灵敏度的多元素分析特点,同时可研究大体积样品内元素含量的三维分布情况。与移动中子源(如同位素中子源、加速器中子源)相比,反应堆中子源具有高通量的冷/热中子,因此,基于反应堆中子源的PGAI装置具有更加广阔的应用前景。鉴于PGAI技术的重要性,主要介绍了PGAI技术原理和测量方法、列举了国内外具有代表性的PGAI装置及特点,并指出当前PGAI技术研究现状与应用进展。其中,与中子层析成像(Neutron Tomography,NT)结合的PGAI是目前研究的重点。随着国内高通量中子反应堆的持续稳定运行以及PGAI装置的建立和技术发展,相信未来PGAI技术能在我国更多领域得到广泛和深入应用。

中国先进研究堆瞬发γ元素成像技术研究

无损分析样品内部的元素分布,对于材料、考古、地质科学等领域的研究具有重要意义。基于瞬发γ活化分析方法,结合中子照相技术,分析了模拟样品的结构和对称性,首次利用中国先进研究堆(CARR)水平孔道聚焦的微束中子束流,开展样品瞬发γ扫描分析和材料内部元素分布研究。通过蒙特卡罗软件(MCNP)对样品元素分布实验模型进行分析,模拟结果获得了样品不同区域的铜、铁、铝元素分布,基本实现了元素空间分辨。MCNP计算结果表明在瞬发γ扫描分析中,优化准直几何参数和提高中子通量能进一步提高元素空间分辨和元素测量准确度。

基于中子/瞬发γ射线联合测量的中子剂量监测模拟研究

辐射场下的中子周围剂量当量率监测具有重要意义,其可以反应核设施运行状况以及辐射防护信息。目前常用的监测仪器为基于单探测器、单慢化体的A-B型剂量当量率仪,其响应曲线与“中子注量-周围剂量当量转换系数”有较大的差异,导致测量结果误差较大。为提升中子剂量仪测量结果的准确性,对基于中子和瞬发γ射线联合监测中子剂量率开展研究。利用铅块、含硼聚乙烯、有机玻璃和氯化钠组合而成的转换材料,通过蒙特卡罗模拟计算B、H、Cl、Pb、C和O元素对不同能量中子的响应,利用响应曲线结合LB6411型剂量仪的响应曲线进行线性拟合,得到与“中子注量-周围剂量当量转换系数”更为接近的响应曲线。通过差分进化算法计算得到线性拟合系数,结果显示,新的响应曲线在1×10^(-8)~16 MeV能量区间内与h_(φ)响应曲线更贴近,二者的相对偏差在50%之内。联合测量中子与瞬发γ射线对中子周围剂量当量率进行监测可行,为中子剂量仪校准和研发提供了新的方向和支持。

基于可移动中子源的瞬发γ活化成像研究进展

瞬发γ活化成像技术基于瞬发γ射线中子活化分析,结合准直测量或者伴随粒子测量手段,以实现对样品内部中元素位置分布的测量。当前大多数相关研究都是基于大型中子源开展的,这限制了该技术的应用场景,可移动小型化中子源是该技术现场应用的必然要求。基于可移动中子源的瞬发伽马活化成像技术按照准直方式可分为基于单孔准直、编码孔准直及伴随粒子测量三类,对其技术原理、研究进展及仍存在的问题进行介绍与讨论。目前的技术在空间分辨率上还需要进一步提升,未来将进一步结合图像处理算法提高成像质量并降低测量时间。

钒SPND中瞬发γ电流对堆芯测量的影响分析

第三代商用压水堆AP1000堆芯中采用钒自给能中子探测器(SPND)实时监测堆芯内的功率分布,控制堆芯的安全稳定运行。然而,堆芯中的钒SPND不仅会对中子产生响应电流,也会对伴随裂变、俘获和衰变核反应产生的γ射线产生响应电流,从而影响SPND电流信号。为获得更加精确的SPND电流信号,使之正确表征堆芯工况,本文基于西安交通大学自主研发的压水堆堆芯分析程序NECP-Bamboo和蒙特卡罗模拟程序NECP-MCX,构建了SPND响应电流模拟分析平台;基于该平台,模拟了AP1000堆芯运行过程中的SPND响应电流,分析了瞬发γ电流对AP1000堆芯运行过程中堆芯测量的影响。结果表明:堆芯运行过程中,不同组件类型中的瞬发γ电流占比不同,大部分探测器的瞬发γ电流占比绝对值大于6.3%,不能忽略;瞬发γ电流对堆芯轴向通量偏差(AFD)测量值和功率重构会产生影响,只考虑中子电流时,堆芯AFD的测量值是计算值的1+α倍(α为瞬发γ电流占比),功率重构的测量值是计算值的1/(1+α),功率重构计算时对于不同类型组件需要使用不同α数值进行修正。

瞬发γ射线中子活化分析的现状与发展

概述了瞬发γ射线中子活化分析(PGNAA)的现状与发展,重点介绍了PGNAA的基本原理,国际上已建的PGNAA装置概况、PGNAA方法学中的单比较器k0法和高能γ射线的效率刻度技术,以及PGNAA在新材料、环境样品、生物和药物以及矿物中H、B、N、Cl等轻元素分析测定方面的日益发展的应用状况。此外,还介绍了在中国原子能科学研究院重水研究堆上建立的热中子束PGNAA实验装置。

伴随粒子法瞬发γ能谱测量技术研究

采用伴随α粒子符合方法测量了水、石墨、液氮样品的16O、12C、14N核素以及硝铵、三聚氰胺、尿素和模拟样品的D-T中子作用的非弹瞬发γ谱,利用反卷积对化合物的脉冲幅度谱进行了解谱,实验获得的元素份额与其化学成分比在10%内相符。

爆炸物检测中典型样品的瞬发γ谱测量

在中子检测爆炸物的研究中,利用14MeV中子与原子序数大于5的原子核相互作用可产生特征γ射线的特性,采用伴随粒子法结合D-T中子飞行时间技术,使用尺寸为12.5cm×20cm的大体积NaI(Tl)探测器,对爆炸物所含元素C,N,O以及一些模拟炸药样品进行了瞬发γ谱测量。获得了几种典型样品的特征γ谱,并对其进行了分析。实验结果与欧盟同期结果进行了比较,表明本实验研究达到了目前国际同类实验的水平,可以为中子检测爆炸物识别技术提供实验支持。

利用中子感生瞬发γ射线分析水泥生料中的元素含量

利用中子感生瞬发γ射线分析法(NIPGA)分析水泥生料中的元素含量。结果表明CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3的分析值和化学方法的测量值比,偏差分别小于0.60%、0.40%、0.40%和0.40%。此方法不仅分析速度快(15min检测一个样品),还能实现多元素的同时分析,是一种适应水泥工业现代化的分析方法。

基于多编码板准直器的瞬发γ射线活化成像

瞬发γ射线活化成像(Prompt Gamma-ray Activation Image,PGAI)技术可对大体积样品内部元素分布进行无损测量,具有广阔的应用前景。目前,PGAI测量平台主要集中在能够提供高中子通量的反应堆中子源上,限制了该技术的现场应用,基于中子发生器和同位素中子源的PGAI技术可用于现场测量,但其较低的中子通量使得测量图像分辨率差。针对此问题,提出一种基于多编码版准直器的PGAI成像方法,采用36块编码准直板和最大似然期望最大化(Maximum Likelihood Expectation Maximization,MLEM)算法对板状样品中的氯(Cl)元素空间分布进行测量分析,编码板的开孔大小为1 cm×1 cm。利用蒙特卡罗程序MCNP对6 cm×6 cm×1 cm(长×宽×厚)样品进行了模拟实验,结果显示:重建图像与原图像的相对偏差为0.0658,结构相似性(Structural Similarity,SSIM)为0.9521;表明利用该方法可以对Cl元素的分布进行测量,重建图像与设置的样品图像吻合。

中子感生瞬发γ射线能谱的蒙卡模拟

中子感生瞬发γ射线分析(PGNAA)中使用蒙卡技术模拟物料与中子反应后产生的瞬发光子在NaI(Tl)探测器中的响应一直是一个难点。介绍了用于PGNAA的专用蒙卡程序NPTrans,NPTrans能够进行中子、光子级联输运并能够给出光子在NaI(Tl)探测器中的响应。给出了蒙卡模拟能谱与实验数据的比较。NPTrans的开发经验为其他研究开发专用的蒙卡程序提供了一定的借鉴。

多元素中子俘获瞬发γ射线分析方法的研究

进一步提出被测元素瞬发γ射线特征峰的面积与其含量的关系式。经实验证明对各常见元素的仪器分析回归值与化学分析值的均方根偏差皆小于０．５ｗｔ％。在铁矿石的分析实验中发现了慢化体的作用，它可明显地提高分析灵敏度。该套中子俘获瞬发γ谱仪对Ｈ瞬发γ峰崐（２．２２３ＭｅＶ）的ＦＷＨＭ为３ｋｅＶ。

裂变瞬发γ总数测量技术

针对裂变 γ辐射能谱的特点 ,采用散射测量技术并选择散射角度 ( 70°) ,将裂变 γ连续谱压缩 ,利用 PIN型探测器对压缩后能段能谱响应平坦的特点 ,实现 γ辐射绝对测量。

中子感生瞬发γ射线在线分析技术的进展(1988～2002)

对1988～2002年间中子感生瞬发γ射线在线分析(NeutronInducedPromptGamma-rayAnalysis,NIPGA)技术的发展进行了叙述。目前分析技术已进入脉冲快热中子的非弹反应和俘获反应联合分析(PulsedFast-ThermalNeutronsAnalysis,PFTNA)阶段。采用的中子发生器寿命已突破10000h,多道谱仪已发展成全数字化整体式现场用谱仪,HPGe探测器的相对探测效率达100%,常温高分辨的TeZnCd探测器已开始应用。在软件方面已采用蒙特卡罗-库最小二乘法解决了中子活化瞬发γ射线分析(PromptGammaNeutronActivationAnalysis,PGNAA)中的非线性反转问题。

微量硼的热中子瞬发γ射线分析方法

反应堆热中子束流引起地质样品中硼的^(10)B(n,αγ)~7Li反应,用HPGe探测器测量其反应的478 keV瞬发γ射线峰面积,与标准样品比对,得到30个地质样品中硼的含量为8×10^(-6)～160×10^(-6),相对误差为16%～5%。

煤对γ射线的吸收与散射及对中子瞬发γ能谱的修正

研究了煤对不同能量γ射线的吸收和散射规律,并结合煤体的中子场分布,实现了对元素的中子感生瞬发γ能谱的修正。

中子感生瞬发γ法识别日本遗弃化学武器的蒙特卡罗计算

介绍了中子感生瞬发γ法识别化学武器的原理,并利用MCNP-4C蒙特卡罗程序,对日本遗弃的各种炮弹在不同条件下感生瞬发γ谱进行了模拟计算和分析,为今后从事这方面的深入研究和处理日本遗弃化武提供必要资料和参考数据。

煤的碳、氢含量瞬发γ分析

用^(241)Am-Be 中子源照射煤样,测量中子感生的瞬发γ射线能谱,由特征γ射线的强度来确定 C、H 含量。所得 C 的误差<2％,H 的误差<0.05％,此方法可用来快速检测煤质。

一个测量中子核数据的新技术——瞬发γ射线法

以测量2 3 9Pu(n ,2n)反应截面为例概述了直接测量的中子法和间接测量的瞬发γ射线法的原理及其优缺点 .阐明了瞬发γ射线法的物理内含 ,阐述了如何从测量的σm(k)约束程序中的反应机制及其参数和得到最小漏失的σm(0 ) ,并分析了σn ,2n的不确定度的来源及其贡献 .瞬发γ射线法适合不易采用直接方法的中子核数据的测量 ,具有一定的普适性 .

利用瞬发γ射线法测量^(209)Bi的中子非弹性散射截面

在铅铋快堆、空间堆等先进反应堆中,铋作为冷却剂和慢化剂材料被大量使用,其中子核反应截面,尤其是中子非弹性散射截面的准确性对这些核装置的安全性和经济性等具有重要的影响。基于中国原子能科学研究院HI-13串列加速器瞬发γ射线实验平台,通过瞬发γ射线法测量了^(209)Bi在9.0、10.5和12.0 MeV 3个能点的中子非弹性散射截面。在相对于中子束30°、70°、110°和150°方向放置4个Clover探测器测量中子与样品相互作用产生的γ射线。实验采用相对测量,通过测量中子与^(48)Ti发生非弹性散射发射的983.5 keVγ射线的产生截面来确定^(209)Bi的截面。^(209)Bi金属样品的尺寸为∅50 mm×4 mm,参考样品为1块∅50 mm×1 mm的天然钛金属样品。将实验测量结果与已发表的实验数据、ENDF/B-Ⅷ.0、JEFF-3.3、JENDL-4.0、ROSFOND-2010和CENDL-3.1等评价库数据以及Talys 1.95程序默认参数的计算结果进行对比,发现趋势一致,9.0、10.5 MeV能点的测量结果与Talys 1.95程序的计算结果符合得更好,12.0 MeV能点的测量结果与ROSFOND-2010评价库数据符合得更好。