一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于核燃料非破坏分析（Non-DestructiveAssay,以下简称NDA)技术领 域，具体涉及一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方法。
【背景技术】
[0002] 核材料（主要是铀和钚）的NDA测量方法一般可分为中子测量法、Y射线测量 法、量热法等。由于中子具有较强的穿透性，使其测量质量较大的核材料时相比其他方法具 有显著的优势，某些情况下也是唯一可行的测量技术。与Y测量不同，裂变中子能谱是连 续谱，因此中子测量通常主要是测量中子的计数率以及时间关联符合谱等确定样品相关参 数。
[0003] 中子测量技术主要用于含Pu/U物料的精确定量分析、常规样品分析、库房盘存、 Pu/U生产线闭合衡算等方面。另外，中子测量技术还可以用于军控核查等相关领域。
[0004] 中子测量方法主要有以下三种：总中子测量方法、符合中子测量方法和多重性测 量方法。相比总中子测量和符合中子测量方法，多重性测量适用范围更广，并且在测量精度 上有明显优势。
[0005] 钚材料自发裂变中子产额较高（自发裂变率：473.5As*g))，而铀材料的自发裂 变中子产额很低，因此核保障领域中中子的测量始于钚样品的测量研宄。钚的中子测量一 般为被动法，无需外加激发源；而铀材料的测量一般为主动法，需要外加质询源。
[0006] 多重性测量是通过测量数个中子多重性测量参数（总中子计数率，二重符合中子 计数率，三重符合中子计数率），然后求解描述这些测量参数和样品未知参数（对钚，为自 发裂变率F，泄露自增殖系数M，（a，n)反应率a;对铀，为诱发裂变率F，泄露自增殖系数 M)之间关系的方程组。在求解出F值和M值后，即可确定24°Pu的等效质量（对铀样品，则 为235U的质量）。
[0007] 建立描述样品未知参数与测量参数之间关系的方程组是中子多重性测量方法数 据分析方法的核心。而该方程组是在一定的假设近似下，进行理论推导得到的。
[0008] 传统中子多重性测量技术采用3He中子探测器。3He对Y射线不敏感，对热中子 具有很大的俘获截面，而裂变中子以MeV量级的快中子为主，因此测量装置都用很厚的聚 乙烯材料包裹，以达到慢化快中子的目的。
[0009] 尽管3He测量技术目前已经比较成熟，但近年来由于3He全球供应的短缺（核武器 生产大幅削减）以及价格上涨，导致设备成本较为高昂，这限制了其大规模的推广应用，因 此有必要研宄其替代探测器以及相应分析技术。而且 3He测量的是慢化后的热中子，其偶 然符合本底较高，这在一定程度上影响了其测量精度。
[0010] 液体闪烁体探测器价格远低于3He,并且能直接测量快中子，能最大程度上保留时 间关联中子之间的时间关联信息，同时偶然符合本底极低。另外，近年来，与闪烁体探测器 相关的n/Y甄别技术以及高时间分辨率的时间计数器等都有较快发展。基于以上这些原 因，液体闪烁体探测器成为一种十分有发展前景的新型中子多重性计数器。
[0011] 目前国内外在液体闪烁探测器中子多重性测量方面的研宄还处于原型装置的 MonteCarlo模拟计算、设计和改进中，如何通过测量参数求解样品未知参数的数据分析方 法还是个亟待解决的难题。
【发明内容】
[0012] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于液体闪烁探测器的快 中子多重性测量分析方法，采用该方法能得到核燃料被测样品未知参数的稳定可靠的分析 结果。
[0013] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于液体闪烁探测器的快中子 多重性测量分析方法，包括以下步骤：建立基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量的数 学模型，该数学模型为关联各重符合计数率和样品未知参数的方程组；采用多个液体闪烁 探测器探测样品源中子裂变过程，得到中子计数率，进而得到各重符合计数率；将测得的各 重符合计数率代入所述方程组，求解该方程组，获得样品未知参数。
[0014] 进一步，所述方程组的表达式为：
[0015] R1xk =F?P1 , ?Q,xv , ?T,xK (I)， L J iXA lxvmax x'ma\ vmax XA
[0016] 其中，式（I)中，
[0017] K表示液体闪烁探测器的个数，
[0018] F表示样品源的中子自/诱发裂变率，
[0019] Rixk表示一重、二重、……K重符合计数率所组成的大小为IxK的行向量，
[0020] 虼表示自增殖过程之后从样品中出射的中子数概率分布所组成的大小为 lxVmax'的行向量，Vmax'表示向量Aw所对应的最大出射中子数目，其中，
[0021] 巧?向量的每一项Pn的表达式为：
[0022] Pn=a"n?q2+a'n?q+an⑵，
[0023] 式⑵中的q表示裂变中子引发下一次次级裂变的概率；a" ^a'^agP^q 所形成的二次函数的系数，n表示自增殖过程后的中子数，n= 1，2,……，；
[0024] 式⑴中，On、??是大小为VXv_'的转移矩阵，转移矩阵中每一 项Q(i，j)的表达式为：
【主权项】
1. 一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方法，包括以下步骤： 建立基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量的数学模型，该数学模型为关联各重符 合计数率和样品未知参数的方程组； 采用多个液体闪烁探测器探测样品源中子裂变过程，得到中子计数率，进而得到各重 符合计数率； 将测得的各重符合计数率代入所述方程组，求解该方程组，获得样品未知参数。
2. 根据权利要求1所述的一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方法，其 特征在于，所述方程组的表达式为：
⑴， 其中，式（1)中， K表示液体闪烁探测器的个数， F表示样品源的中子自/诱发裂变率， Rixk表示一重、二重、……K重符合计数率所组成的大小为IxK的行向量， 仏二表示自增殖过程之后从样品中出射的中子数概率分布所组成的大小为lx Vmax' 的行向量，Vmax，表示向量Cxvmx?所对应的最大出射中子数目，其中， Avmd/向量的每一项Pn的表达式为：
式⑵中的q表示裂变中子引发下一次次级裂变的概率；3'11'、&'11、 &11是？11与(1所形成 的二次函数的系数，η表示自增殖过程后的中子数，η = 1，2,……，vmax，； 式⑴中，是大小为vmax' X '的转移矩阵，转移矩阵中每一项 Q(i，j)的表达式为：
式（3)中的Q(i，j)表示i个中子从样品中出射之后能探测到j个中子的概率，
表示从i个中子中任选j个的可能选择数，ε为总的探测效率； 式⑴中，是大小为V XK的转移矩阵，转移矩阵的每一项的表达式分 别为：
式⑷中的Tis代表在探测到i个中子的情况下产生s个信号的概率，ε S(s = 1，2,…，K)代表第s个探测器的探测效率。
3. 根据权利要求2所述的一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方法，其 特征在于，液体闪烁探测器的个数K为4时，所述方程组的表达式为：
式（6)中，￡ι、ε2、￡3和ε 4分别代表第1、2、3、4个液体闪烁探测器的探测效率。
4. 根据权利要求3所述的一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方法，其 特征在于， 使用测得的一重、二重、三重、四重符合计数率中的任意三个求解方程组，通过消去式 (5)中的F，得到：
用迭代法求解方程式（8)，得到q、ε，进而根据式（5)求得自/诱发裂变率F。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方 法，所述方法还包括根据式（9)计算样品源的泄漏自增殖系数M，
式（9)中，V表示每次次级裂变事件发射的裂变中子平均数。
【专利摘要】本发明涉及一种基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量分析方法，包括以下步骤：建立基于液体闪烁探测器的快中子多重性测量的数学模型，该数学模型为关联各重符合计数率和样品未知参数的方程组；采用多个液体闪烁探测器探测样品源中子裂变过程，得到中子计数率，进而得到各重符合计数率；将测得的各重符合计数率代入所述方程组，求解该方程组，获得样品未知参数(自发或诱发裂变率等)。采用本发明提供的方法能给出被测样品稳定可靠的分析结果。
【IPC分类】G01T3-06
【公开号】CN104678425
【申请号】CN201510051994
【发明人】周浩, 林洪涛, 刘国荣, 李井怀, 梁庆雷, 赵永刚
【申请人】中国原子能科学研究院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月2日