超快中子探测器闪烁体性能计算

《超快中子探测器闪烁体性能计算》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、万方数据第22卷第6期2010年6月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICI。EBEAMSV01．22，No．6Jun．，2010文章编号：1001—4322(2010)06—1243-04超快中子探测器闪烁体性能计算’唐琦，赵宗清，苏明，彭晓世(中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900)摘要：超快中子探测器是ICF聚变反应速率测量系统的核心部件。利用蒙特卡罗粒子输运工具包Geant4模拟了一种超快中子探测器——BC-422型闪烁探测器的中子探测过程，计算出了

2、几种厚度的BC一422型闪烁体的探测效率、输出光信号强度和时间分辨力；对比了闪烁体的2种不同反射表面对输出光信号强度和时间分辨力的影响。计算的结果显示：设计适当的BC-422型闪烁探测器能够测量的最低中子产额在108量级，对DT中子的信号时间分辨力好于20ps，对DD中子的信号时间分辨力达到30ps，能够用于大型激光装置及其原型的聚变反应速率测量。关键词：核探测；聚变反应速率测量；塑料闪烁探测器；蒙特卡罗方法；超快时间分辨力中图分类号：TL816．3；TL812．1文献标志码：Adoi：10．37

3、88／HPLPB20102206．1243在惯性约束聚变(ICF)研究中，燃料的聚变反应速率能够反映激光打靶过程中的许多重要信息。研究人员已在国外的许多大型ICF装置上开展了相关研究¨{]。我国已建成的大型激光装置原型的DT中子产额预计可以达到1010，在建的大型激光装置主机的DT中子产额预计将达到1013～1014，开展测量聚变反应速率研究的条件已具备。测量中子发射的时间分布是测量聚变反应速率的手段之一。ICF内爆实验的聚变反应持续时间在百ps量级，要真实反映这个时间过程，探测系统的时间分辨力要

4、达到数十ps，同时，有限的中子产额对探测系统的效率也提出了较高要求。作为探测系统的核心部件，中子探测器的效率和时间特性决定了探测系统的性能，但是实际上很难找到脉冲宽度与ICF聚变反应相当的脉冲中子源对探测器进行标定，用模拟的方法对探测器性能进行计算是很必要的。本文阐述了用蒙特卡罗程序Geant4模拟型号为BC-422的超快中子闪烁体的中子探测过程的方法，并计算出了该种探测器探测效率、光输出效率、信号的时间特性等性能。l原理和方法图1是中子探测器系统的示意图。闪烁体装置于金属锥筒内部，锥筒前端是X光

5、屏蔽层，闪烁体后面有一层铅玻璃，起到屏蔽硬X光和7射线的作用。铅玻璃后面紧接着光学成像系统和条纹相机系统。整个锥筒伸入靶室内部，锥筒附带调节机构，使探测器到靶的距离能够在2"--20cm之间进行调节，以便测量时能够在尽量减小飞行时间展宽的同时调节探测效率。＼target●．／Fig．1Layoutofneutrondetector图1中子探测器结构示意图探测器使用的闪烁体必须具有很好的时间分辨能力。BC-422型塑料闪烁体是Saint-Gobain公司生产的一种有机塑料闪烁体，其部分技术指标如表1

6、所示‘川。它是现有的用于中子测量最快的闪烁体之一，发光时间只有1．6ns，常用于需要超快时间分辨的中子探测器。该闪烁体主要由C和H两种元素组成，中子能够和这两种元素的原子相互作用，产生的带电反冲核和次级电子能够激发闪烁体分子，闪烁体分子退激发出可见光。表1BC-422型塑料闪烁体的性能参数TablelTechnicaldataofBC-422scintillator模拟计算所使用的Geant4软件是欧洲粒子物理研究中心(CERN)发起研发的一种粒子输运工具包。Geant4可以模拟6大类数十种粒子以

7、及7大类粒子与物质的相互作用；它基于C++规则编写，完全开源，有*收稿日期：2009—04—03；修订日期：2009—1l一26作者简介：唐琦(1982一)，男，硕士，从事激光聚变核诊断研发工作；tqtc2001@163．com。万方数据强激光与粒子束第22卷多种用户操作，可以由用户自由控制粒子行为，提取粒子信息‘8

8、。ICF聚变反应中DD反应产生的中子能量为2．54MeV，DT反应产生的中子能量为14MeV，等离子体的高温会使中子能量有所展宽，展宽一般只有数keV，可近似认为ICF聚变反应的中子

9、是上述两种能量的单能中子。这两种能量的中子和塑料闪烁体相互作用的能量沉积主要来源有：中子和氢原子的弹性散射，中子和碳原子的弹性散射和非弹性散射，其中，中子和氢原子弹性散射的贡献占主要地位。采用Geant4中模拟低能中子输运的NeutronHP物理模型模拟中子在闪烁体中的能量沉积过程，这类模型适用于从热中子到20MeV的中子与物质相互作用的模拟。模拟使用了G4NeutronHPElastie和G4NeutronHPlnelastic这2个中子与物质相互作用类。G4NeutronHPE