抽注水多层同心球中子能谱仪关键技术

中子广泛应用于工、农、医、环境、国防等领域，当前无论是中子物理研究、中子应用，还是中子防护领域，都要知道中子能谱。目前最常用的中子能谱测量方法有飞行时间法、活化法和多球中子谱仪，其中飞行时间法测量精度最高，但测量设备复杂，仅适合固定场所；活化法测量简单，但活化产物较多，需要复杂的解谱技术；多球中子谱仪响应各向同性，量程宽，是中子能谱测量最有效的方法。传统多球中子谱仪由一系列直径为2至15英寸的高密度聚乙烯慢化球组成，每个球配备一套探测系统，主要存在技术瓶颈：①测量一致性差，球球干扰；②供中子能谱解析的信息有限；③谱仪笨重、携带不便、不易部署；④应用场景普适性差。 课题组围绕上述难题，在国家自然科学基金、四川省科技计划等项目的支持下，致力于研究替代传统多球中子谱仪的新方法、新技术，通过单球和单套探测系统，解决了“球球干扰”“信息有限”“携带不便”和“普适性差”等技术难题，成功研制出抽注水多层同心球中子谱仪，形成了我国自主可控的知识产权技术体系。

[1] 四川省科学技术进步一等奖，核辐射环境综合安全监测技术开发与应用, 2013.12，排名第6.[2] 国土资源部科技进步二等奖，核地球物理勘探低本底检测关键技术及仪器开发，2011.12，排名第2.[3] 2014年度获成都理工大学“优秀班主任”.[4] 2016年度获成都理工大学“优秀班主任”.[5] 2020年12月获成都理工大学优秀科级干部.

第1章 抽注水多层同心球中子能谱仪结构设计 11.1 中子响应函数计算原理 11.1.1 中子注量响应在FLUKA中的计算 11.1.2 中子注量响应在MCNP中的计算 21.1.3 S(α, β)散射处理 21.2 中心探测器结构参数研究 21.3 能量响应因子研究 41.3.1 聚乙烯密度对响应影响 41.3.2 空气对环境中子衰减作用影响 51.4 材料与参数选择研究 71.4.1 慢化材料的影响研究 71.4.2 辅助材料的选择 81.5 抽注水多层同心球中子能谱仪结构 91.6 小结 11第2章 抽注水多层同心球中子能谱仪响应函数研究 122.1 水密度对谱仪响应函数的影响 122.2 铅层对响应函数的影响 152.3 不锈钢球对响应函数能群划分的影响 162.3.1 304不锈钢共振截面 162.3.2 响应函数能群划分原理 172.3.3 能谱能群重组 192.3.4 不同响应函数能群划分方案对比 202.4 中子入射角度对谱仪响应函数的影响 212.4.1 多角度平行中子源 222.4.2 各向同性中子源照射 252.5 高能响应函数模拟研究 262.6 小结 27第3章 抽注水多层同心球水层组合切换顺序优化 283.1 抽注水多层同心球中子谱仪中单泵抽注水系统 283.1.1 设计原理 283.1.2 单泵抽注水装置测试 293.2 抽注水多层同心球水层组合切换顺序优化 303.2.1 基于遗传算法的水层切换优化排序方法 303.2.2 抽注水多层同心球水层组合切换时间矩阵计算 323.2.3 适应度函数的确定 333.2.4 基于遗传算法的水层组合切换模型交叉算子选择 333.2.5 抽注水水层组合顺序切换最短时间优化实现 343.3 小结 39第4章 抽注水多层同心球中子能谱仪响应矩阵优化研究 404.1 抽注水多层同心球中子能谱仪响应矩阵优化问题 404.2 基于t-SNE方法的响应矩阵降维研究 414.2.1 t-SNE优化方法原理 414.2.2 基于t-SNE响应矩阵降维方法的优化结果 434.3 抽注水多层同心球中子能谱仪响应矩阵优化方法研究 444.3.1 抽注水多层同心球中子能谱仪响应矩阵优化 454.3.2 基于BG理论分辨力的响应函数筛除方法 474.4 抽注水多层同心球中子谱仪计数测量和结构优化模型 514.4.1 谱仪系统计数测量优化应用示例 524.4.2 谱仪系统结构优化应用示例 524.4.3 新能谱仪系统设计应用示例 534.5 小结 53第5章 抽注水多层同心球中子能谱仪解谱方法 555.1 抽注水多层同心球中子能谱解谱原理 555.2 解谱结果评价标准 565.3 神经网络解谱中子能谱方法 585.3.1 神经网络解谱原理 585.3.2 BP神经网络解谱 585.4 基于遗传算法的抽注水多层同心球中子能谱解谱算法 665.4.1 解谱初始参数的确定 675.4.2 适应度函数选择 685.4.3 交叉算子选择 695.4.4 基于遗传算法的抽注水多层同心球解谱结果 705.5 抽注水多层同心球中子能谱仪自适应差分进化中子解谱方法研究 735.5.1 三次通量估计方法研究 745.5.2 自适应差分进化中子解谱方法遗传算子研究 765.5.3 自适应更新参数 785.5.4 能谱抖动高斯光滑处理 795.5.5 适应度函数分析 825.5.6 半参数化解谱增强方法研究 865.5.7 最优解符合提取方法研究 925.5.8 自适应差分进化解谱算法模型数值解谱测试 945.6 抽注水多层同心球中子剂量估算方法研究 965.7 抽注水多层同心球中子测量不确定度研究 975.7.1 不确定度评估 985.7.2 主要不确定度来源分析 985.8 小结 99第6章 抽注水多层同心球中子能谱仪校准方法研究 1016.1 校准模型设计及校准房间散射影响研究 1016.1.1 墙壁厚度对散射中子的影响 1016.1.2 校准室模型建立 1026.2 蒙特卡罗模拟散射效应的修正 1066.2.1 影锥法原理 1066.2.2 影椎结构设计 1076.2.3 放射源与影锥前端距离对散射计数的影响 1086.2.4 影锥法的散射修正模型 1096.3 抽注水多层同心球中子能谱仪剂量计算 1126.4 标准252Cf中子场校准抽注水多层同心球中子能谱仪 1156.5 不同水层组合对校正因子的影响 1166.6 小结 118第7章 抽注水多层同心球中子能谱仪硬件系统研究 1197.1 全自动抽注水系统整体结构设计 1197.1.1 全自动抽注水系统结构 1197.2 全自动抽注水硬件系统设计 1227.2.1 整体硬件系统设计 1227.2.2 STM32微控制器 1237.3 流量计信号采集电路 1277.4 开关插座控制电路 1297.4.1 水泵控制电路 1297.4.2 节能电磁阀控制电路 1307.4.3 电磁阀节能模块工作原理 1327.5 串口触摸屏通信电路设计 1337.6 串口以太网模块通信电路设计 1357.7 蜂鸣器报警反馈电路 1367.8 系统电源稳定性设计 1377.8.1 BUCK降压电路设计 1387.8.2 LDO低压差线性稳压电路设计 1397.9 PCB布局与走线设计 1397.10 小结 142第8章 n-γ联合响应函数矩阵改善抽注水多层同心球中子谱仪解谱能力 1438.1 CLYC闪烁体探测器 1438.2 抽注水多层同心球中子谱仪响应矩阵计算 1438.3 分辨力计算 1448.4 中子能谱展开 1448.5 测量组合的选择 1458.6 n-γ响应函数矩阵分析 1468.7 n-γ响应函数矩阵分辨力评价 1478.8 n-γ响应函数矩阵和n响应函数矩阵能谱展开对比 1488.9 小结 149第9章 全自动抽注水多层同心球中子谱仪系统软件设计 1509.1 系统总体设计 1509.2 功能模块 1519.2.1 用户管理模块 1519.2.1 水层管理模块 1519.2.2 数据采集模块 1519.2.3 数据管理模块 1529.2.4 数据处理模块 1529.2.5 权限设置模块 1529.2.6 帮助模块 1529.3 系统工作流程 1529.4 软件测试 1539.5 小结 157第10章 抽注水多层同心球中子谱仪系统实验测试 15810.1 Am-Be中子源测量实验 15810.1.1 实验概述 15810.1.2 实验材料 15810.1.3 实验过程 15810.1.4 实验结果 16010.1.5 不确定度分析 16410.1.6 测试实验小结 16410.2 252Cf中子源测量实验 16510.2.1 实验概述 16510.2.2 实验材料 16510.2.3 实验过程 16510.2.4 实验结果 16710.2.5 不确定度分析 17010.2.6 测试实验小结 17010.3 小结 171