中子照相多路准直器优化设计与应用
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ＭＣ模 拟研究 。
１ 原 理 与 优 化 设 计
１ ． １ 基本 原 理
器使 中子 图像 畸 变模 糊 ， 这 样 将使 得 利用 中子 图像 的灰 度信 息 进行 定 量 分 析 变得 困难 ， 故需 寻求 一种 有效 的散 射 中子 消 除 方 式 。通 常 ． 热 中子照 相 散射 中子 消 除 方 法 主要 有 ： （ １ ） 增
的材料 及 结构 进 行 了 优化 设 计 ． 利 用 所设 计 的
到达探测器 ， 而散射中子 的方 向与人射 中子的 方 向不同 ， 这样散射中子将入射到准直器的强 中子 吸收材 料涂层 上从 而 被 吸收 ＿ ９ Ｊ 。
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收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６一ｌ ０— ２ ６
同时会 造成 图 像 的 几 何 不 锐 度 增 大 【 ２ ； （ ２ ）
散射校正数值算法。该方法需要一系列的先验
信息 ， 而且需 要在样 品探测器 距离大 于 ２ ｃ ｍ 时， 才会取得较好的校正效果 ； （ ３ ） 加入多
路 准直 器法 。该方 法 能够有 效地 克服 前两 种方 法 的缺 点 ， 利用 准 直器 能 在 较 小 的样 品探测 器 距 离下 获得 较好地 消 除散射 中子 的效 果 。 本工作 利 用蒙特 卡 罗 （ ＭＣ） 程 序 对 准 直 器
际在 涂层 中穿 透 的 距 离 是 大 于 ２ ５／ ｘ ｍ 的 。 故
选用 ２ ５ ｐ ， ｍ的 Ｇ ｄ作 为 中子 吸收 涂层 完ห้องสมุดไป่ตู้全 可 以 到达 散射 中子 吸收 效果 。
图 ３ 模拟所使用 的入射中子能谱
扫～ 誓 譬ｃ ～
Ｉ １ ｅ８ Ｚ
图 ４ 准直器长度 与散 射中子强度关 系
图１ 多路准直器 消除散射 中子原理示意图
基 金项 目： 核技术应用 教育部 工程 研究 中心 开放基
金（ Ｈ Ｊ Ｓ Ｊ Ｙ Ｂ ２ ０ １ ５—１ ） 资助 。
作 者简介 ： 杜洋 （ １ ９ ９ １ 一） ， 男． 四川 阆中人 ， 在读硕 ｉ
生， 攻 读 方 向为 ＭＣ方 法 及 其 中 子照 相 。
大样 品 与探测 器距离 法 。该 方 法在 消 除散射 的
多路 准直 器消 除散 射 中子 的原理 如 图 １ 所 示， 一 般 多路 准 直 器都 是 以散 射 截 面较 小 的材 料（ 如： 铝） 作 为 网格 骨 架 ， 在 骨 架 上 用 强 中子 吸 收 材料 作 为涂 层 ， 多路 准 直 器 的通 道 与 中子 入 射 方 向平 行 ， 以保证 透 射 中子 能够 穿 透 网格
材料 、 长度进行了优化设计 ， 利用该准直器对不 同厚度的水层样 品在不 同样 品探测器距 离下进行 了 中子
照相的 Ｍ Ｃ 模拟计算 。计算结 果表 明选用 ２ ５ ｔ ｘ ｍ的 Ｇ ｄ 作 为准直器 的中子 吸收涂层 ， 准直器 长度 为 １ ｃ ｍ
时可消除 ９ ８ ％ 的散 射中子 ， 使用 该准直器可以有效提高中子照相定量分析的精度。 关键词 ： 中子照相 ； 多路准直器 ； 定量分析 ； 散射 中子 ； 蒙 特卡罗 中图分类号 ： Ｔ Ｌ ９ ９ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ６ ） １ ０ — １ ０ ０ ８ － ０ ４
除的＿ １ ¨ 。而随着数字成像技术 的引入使得 准 直器影像可 以有效的消除且不影响定量分析结 果 。首先 在不 放 人 样 品 只加 入 准 直 器 时 ， 设探
数字 成像 技术 的引人 使 得 中子 照相成 为一 种备受 青 睐的定量 分析 技术 。若 检 测样 品 中含
有 中子 散 射 截 面 较 大 的物 质 （ 如： 水、 聚 乙烯 等） 时， 那 么 将 会 有 大 量 的散 射 中子 达 到探 测
准 直 器对含 水样 品 的散射 中子 消 除情况 进行 了
１ ０ ０ ８
１ ． ２ 材料选 择及 厚度 确定
采用 ＭＣ Ｎ Ｐ ５对几 种 常见 的热 中子 吸 收 材 料Ｇ ｄ 、 加 Ｂ以及 Ｃ ｄ进行 了模 拟 计 算 ， 计 算 的 人
射 中子能 量为 ０ ． ０ ２ ５ ｅ Ｖ。其计 算结 果 如 图 ２所
示， 由 图 ２可 以看 出 ， Ｇ ｄ的 热 中子 吸 收 能力 明 显强 于 旧 Ｂ以及 Ｃ ｄ 。而 且 可 以看 出 当 Ｇ ｄ的厚
度为 ２ ５ Ｉ ｘ ｍ时 ， 热 中子 的透 射 率 的变 化 已经趋
于平 缓 。当 Ｇ ｄ厚 度 为 ２ ５ Ｉ ． ｚ ｍ时 ， 热 中子 透 射
率为 ３ ． １ ％， 而当 Ｇ （ ｉ 厚度增加大到 ３ ０ ｍ时 ， 中子透射 率 为 １ ． ６ ％。可 见 当 Ｇ ｄ厚 度为 ２ ５ ｌ ａ ， ｍ时 ， 继续增大 Ｇ ｃ Ｉ 的厚度 已经不能明显减少 热 中子 。并且 由图 ｌ 可 以看 出在 多路准 直 器实 际应用中由于散射中子并不是垂直入射到涂层 表面， 而是 有一定 的入射 角 度 ， 所 以散 射 中子 实
中 子 照 相 多 路 准 直 器 优 化 设 计 与 应 用
杜洋， 张雄杰 ， 汤彬 ， 王仁 波 ， 瞿 金辉
（ 东华理 工大学核技术应用教育部工程研究 中心 ， 南昌 ３ ３ ０ ０ １ ３ ）
摘要 ： 设计 了一种多路准直器 用于消除中子照相 中的散射中子 ， 利用 ＭＣ Ｎ Ｐ ５对准 直器 的中子 吸收
第３ ６卷
２ ０ １ ６年
第１ ０期
１ Ｏ月
核 电子 学与探 测 技术
Ｎｕｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． １ ０ ０ｃ ｔ ． ２ ０ １ ６
１ 原 理 与 优 化 设 计
１ ． １ 基本 原 理
器使 中子 图像 畸 变模 糊 ， 这 样 将使 得 利用 中子 图像 的灰 度信 息 进行 定 量 分 析 变得 困难 ， 故需 寻求 一种 有效 的散 射 中子 消 除 方 式 。通 常 ． 热 中子照 相 散射 中子 消 除 方 法 主要 有 ： （ １ ） 增
的材料 及 结构 进 行 了 优化 设 计 ． 利 用 所设 计 的
到达探测器 ， 而散射中子 的方 向与人射 中子的 方 向不同 ， 这样散射中子将入射到准直器的强 中子 吸收材 料涂层 上从 而 被 吸收 ＿ ９ Ｊ 。
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收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６一ｌ ０— ２ ６
同时会 造成 图 像 的 几 何 不 锐 度 增 大 【 ２ ； （ ２ ）
散射校正数值算法。该方法需要一系列的先验
信息 ， 而且需 要在样 品探测器 距离大 于 ２ ｃ ｍ 时， 才会取得较好的校正效果 ； （ ３ ） 加入多
路 准直 器法 。该方 法 能够有 效地 克服 前两 种方 法 的缺 点 ， 利用 准 直器 能 在 较 小 的样 品探测 器 距 离下 获得 较好地 消 除散射 中子 的效 果 。 本工作 利 用蒙特 卡 罗 （ ＭＣ） 程 序 对 准 直 器
际在 涂层 中穿 透 的 距 离 是 大 于 ２ ５／ ｘ ｍ 的 。 故
选用 ２ ５ ｐ ， ｍ的 Ｇ ｄ作 为 中子 吸收 涂层 完ห้องสมุดไป่ตู้全 可 以 到达 散射 中子 吸收 效果 。
图 ３ 模拟所使用 的入射中子能谱
扫～ 誓 譬ｃ ～
Ｉ １ ｅ８ Ｚ
图 ４ 准直器长度 与散 射中子强度关 系
图１ 多路准直器 消除散射 中子原理示意图
基 金项 目： 核技术应用 教育部 工程 研究 中心 开放基
金（ Ｈ Ｊ Ｓ Ｊ Ｙ Ｂ ２ ０ １ ５—１ ） 资助 。
作 者简介 ： 杜洋 （ １ ９ ９ １ 一） ， 男． 四川 阆中人 ， 在读硕 ｉ
生， 攻 读 方 向为 ＭＣ方 法 及 其 中 子照 相 。
大样 品 与探测 器距离 法 。该 方 法在 消 除散射 的
多路 准直 器消 除散 射 中子 的原理 如 图 １ 所 示， 一 般 多路 准 直 器都 是 以散 射 截 面较 小 的材 料（ 如： 铝） 作 为 网格 骨 架 ， 在 骨 架 上 用 强 中子 吸 收 材料 作 为涂 层 ， 多路 准 直 器 的通 道 与 中子 入 射 方 向平 行 ， 以保证 透 射 中子 能够 穿 透 网格
材料 、 长度进行了优化设计 ， 利用该准直器对不 同厚度的水层样 品在不 同样 品探测器距 离下进行 了 中子
照相的 Ｍ Ｃ 模拟计算 。计算结 果表 明选用 ２ ５ ｔ ｘ ｍ的 Ｇ ｄ 作 为准直器 的中子 吸收涂层 ， 准直器 长度 为 １ ｃ ｍ
时可消除 ９ ８ ％ 的散 射中子 ， 使用 该准直器可以有效提高中子照相定量分析的精度。 关键词 ： 中子照相 ； 多路准直器 ； 定量分析 ； 散射 中子 ； 蒙 特卡罗 中图分类号 ： Ｔ Ｌ ９ ９ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ６ ） １ ０ — １ ０ ０ ８ － ０ ４
除的＿ １ ¨ 。而随着数字成像技术 的引入使得 准 直器影像可 以有效的消除且不影响定量分析结 果 。首先 在不 放 人 样 品 只加 入 准 直 器 时 ， 设探
数字 成像 技术 的引人 使 得 中子 照相成 为一 种备受 青 睐的定量 分析 技术 。若 检 测样 品 中含
有 中子 散 射 截 面 较 大 的物 质 （ 如： 水、 聚 乙烯 等） 时， 那 么 将 会 有 大 量 的散 射 中子 达 到探 测
准 直 器对含 水样 品 的散射 中子 消 除情况 进行 了
１ ０ ０ ８
１ ． ２ 材料选 择及 厚度 确定
采用 ＭＣ Ｎ Ｐ ５对几 种 常见 的热 中子 吸 收 材 料Ｇ ｄ 、 加 Ｂ以及 Ｃ ｄ进行 了模 拟 计 算 ， 计 算 的 人
射 中子能 量为 ０ ． ０ ２ ５ ｅ Ｖ。其计 算结 果 如 图 ２所
示， 由 图 ２可 以看 出 ， Ｇ ｄ的 热 中子 吸 收 能力 明 显强 于 旧 Ｂ以及 Ｃ ｄ 。而 且 可 以看 出 当 Ｇ ｄ的厚
度为 ２ ５ Ｉ ｘ ｍ时 ， 热 中子 的透 射 率 的变 化 已经趋
于平 缓 。当 Ｇ ｄ厚 度 为 ２ ５ Ｉ ． ｚ ｍ时 ， 热 中子 透 射
率为 ３ ． １ ％， 而当 Ｇ （ ｉ 厚度增加大到 ３ ０ ｍ时 ， 中子透射 率 为 １ ． ６ ％。可 见 当 Ｇ ｄ厚 度为 ２ ５ ｌ ａ ， ｍ时 ， 继续增大 Ｇ ｃ Ｉ 的厚度 已经不能明显减少 热 中子 。并且 由图 ｌ 可 以看 出在 多路准 直 器实 际应用中由于散射中子并不是垂直入射到涂层 表面， 而是 有一定 的入射 角 度 ， 所 以散 射 中子 实
中 子 照 相 多 路 准 直 器 优 化 设 计 与 应 用
杜洋， 张雄杰 ， 汤彬 ， 王仁 波 ， 瞿 金辉
（ 东华理 工大学核技术应用教育部工程研究 中心 ， 南昌 ３ ３ ０ ０ １ ３ ）
摘要 ： 设计 了一种多路准直器 用于消除中子照相 中的散射中子 ， 利用 ＭＣ Ｎ Ｐ ５对准 直器 的中子 吸收
第３ ６卷
２ ０ １ ６年
第１ ０期
１ Ｏ月
核 电子 学与探 测 技术
Ｎｕｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． １ ０ ０ｃ ｔ ． ２ ０ １ ６