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1、第18卷第2期強(qiáng)激光與粒子束Vol.18，No.22006年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb.，2006文章編號：1001-4322（2006）02-0325-05*數(shù)值模擬高能中子照相1，222211章法強(qiáng)，楊建倫，李正宏，陳法新，應(yīng)純同，劉廣均（1.清華大學(xué)工程物理系，北京100086；2.中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽621900）摘要：模擬了14MeV中子在穿透樣品后與閃爍體光纖的作用。對每根光纖中的能量沉積進(jìn)行了計(jì)算，并轉(zhuǎn)換成可見光（496nm）光子數(shù)。在模擬實(shí)驗(yàn)中，分析了影響圖像質(zhì)量的因素。計(jì)算了散射中子本底與閃爍體
2、和樣品（聚乙烯）間距的關(guān)系。當(dāng)間距為cm量級時，散射中子本底對圖像的影響很小。計(jì)算表明系統(tǒng)對樣品的甄別厚度與入射中子總數(shù)有關(guān)，在一定范圍內(nèi)近似與中子總數(shù)的對數(shù)成線性關(guān)系。通過模擬結(jié)果給出了理想平行中子束入射情況下系統(tǒng)的平面分辨率。關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；14MeV中子；中子照相；平面分辨率中圖分類號：TL99文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A高能中子照相作為一種無損檢測方法，其優(yōu)點(diǎn)在于高能中子單色性好，穿透力強(qiáng)，適合檢測體積較大物［1］體，這一點(diǎn)是熱中子照相和X射線照相不易達(dá)到的。而高能中子與閃爍體作用截面小，不易被記錄，這使得［2-3］對中子源產(chǎn)額要求相對較高。近年來，隨著中子源技術(shù)的進(jìn)步，中子照相發(fā)展很
3、快，然而高能中子的輻射轉(zhuǎn)換與記錄仍是技術(shù)瓶頸。由閃爍體光纖陣列和CCD組成的中子成像系統(tǒng)（圖1）對中子探測效率高，光收集效［3-4］果較好，成像時間快，是目前較為理想的系統(tǒng)。其原理是高能中子在閃爍體中通過碰撞作用將能量傳遞給氫原子核，反沖質(zhì)子在閃爍體中的沉積能量轉(zhuǎn)化為光子輸出，然后由可見光CCD記錄。用計(jì)算機(jī)模擬中子與樣品及閃爍體光纖作用，記錄每根光纖中的光子數(shù)，可以獲得最小像素為光纖尺寸的模擬圖像。模擬圖像的質(zhì)量受中子源參數(shù)、樣品材料及樣品與光纖陣列的距離等多種因素的影響。改變各種參數(shù)，可以獲得最佳分辨效果的圖像。這相當(dāng)于給出了實(shí)驗(yàn)時各參數(shù)的參考值，對實(shí)際工作有重要意義。國際上通
4、用的MCNP等中子計(jì)算軟件由于不跟蹤反沖質(zhì)子，當(dāng)閃爍體尺寸小于其射程時，無法正確反映出反沖質(zhì)［5］子在閃爍體中的能量沉積。為此，我們編寫了相關(guān)計(jì)算程序，對影響圖像質(zhì)量的因素進(jìn)行了研究。Fig.1PrincipleofaneutronimagingsystemFig.2FluorescenceyieldofplasticbasedonscintillationfiberarrayandCCDscintillatorvsenergyofparticles圖1閃爍體光纖陣列加CCD中子成像系統(tǒng)原理圖圖2塑料閃爍體熒光光子數(shù)與帶電粒子能量關(guān)系1物理模型與數(shù)學(xué)方法3閃爍體選用BCF20，其組
5、成為碳和氫，密度p=1.05g/cm。圖2是該系列閃爍體熒光光子數(shù)與帶電粒子沉積能量關(guān)系曲線。高能中子與核的作用仍以彈性散射為主，因此計(jì)算過程中，中子與物質(zhì)的作用截面為相應(yīng)的彈性散射截面。另外，中子在閃爍體中與碳核或氫核彈性碰撞后，反沖碳核獲得的能量比反沖氫核小得多。而且，由圖2可見，碳核產(chǎn)生熒光光子的能力差。所以在計(jì)算閃爍體產(chǎn)生的熒光光子數(shù)時，僅考慮反沖氫核的貢獻(xiàn)。*收稿日期：2005-10-26；修訂日期：2005-12-30基金項(xiàng)目：中國工程物理研究院雙百人才基金資助課題（2004R0301）作者簡介：章法強(qiáng)（1979—），男，博士生，核能科學(xué)與工程專業(yè)；zhangfaqia
6、ng@tsinghua.org.cn。326強(qiáng)激光與粒子束第18卷14MeV中子與氫核碰撞后，反沖質(zhì)子能量在0～14MeV范圍內(nèi)均勻分布，其角分布的概率密度函數(shù)近似［6］為（fφ）=sin（2φ），φ∈［0，90］（1）式中：φ為反沖質(zhì)子與中子入射方向夾角。質(zhì)子在閃爍體中的射程可由TRIM程序計(jì)算，射程與能量的關(guān)系并非線性，這使得在計(jì)算光纖中質(zhì)子能量沉積時需要進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3是由程序計(jì)算的閃爍體中反沖氫核在垂直中子入射方向上投影射程R的概率函數(shù)，由圖可知R<0.4mm的概率大于50%。即假設(shè)入射中子方向與閃爍體光纖平行時，質(zhì)子在閃爍體光纖中的橫向位移分布函數(shù)半高寬小于0.8mm。
7、考慮到方光纖對中子探測的有效面積大，選用0.5mm×0.5mm×100mm的方光纖100×100根構(gòu)成陣列，對14MeV中子探測效率為η=21.4%。Fig.3ProbabilityfunctionofprojectedFig.4Ageometricmodelofparallelneutronrangeofrecoilprotononthex-yplanebeamincidencetosamplesandfibers圖3反沖氫核在x-y平面上的投影射程分布函數(shù)圖4平行
