基于基于 LINACLINAC 的的 SNMSNM检测技术研究检测技术研究

清华大学工程物理系清华大学工程物理系

黄伟奇黄伟奇

主 要 内 容

五、讨论与小结

三、理论与模拟计算

二、基本原理与方案

一、引言

四、实验与结果

一、引言

1 、特殊核材料（ SNM ）简介

美国 1954 年原子能法案提出特殊核材料的概念，包括 233U 、 235U 和 239Pu ，又分为：

SNM ： Special Nuclear Material

战略特殊核材料 (SSNM)

中等战略重要性特殊核材料 低等战略重要性特殊核材料

一、引言

1 、特殊核材料（ SNM ）简介

一、引言

2 、 SNM 的主要特性 一般特性

高 Z 物质 高密度 可产生一定的热量 具有多种同位素

一、引言

构成 SNM 的核素是不稳定的，它们会不断地自发衰变，主要衰变方式为 α 、 β 和自发裂变，伴随着这些衰变过程会释放出大量不同能量的 γ 射线和中子。

自发衰变自发衰变：无需外界条件，自然产生的衰变

2 、 SNM 的主要特性 自发衰变特性

一、引言

富集度为 93% 高浓铀的 γ 能谱

一、引言

2Kg 富集度为 93% 球状 Pu 的 γ能谱

一、引言

2 、 SNM 的主要特性 自发裂变特性

特殊核材料在中子和光子诱发下会产生裂变，并释放出中子和γ 等裂变特征信号。

一、引言

2 、 SNM 的主要特性 诱发裂变特性

一、引言

每次诱发裂变产中子、光子数

一、引言

测量对象 — 测量 SNM 的天然放射性，包括自发裂变之后的中子和 γ 射线 一般要求 — 具有一定的放射强度

— 具备一定的能量不同能量的 γ 射线穿透能力不同

3 、 SNM 的检测方法 被动检测方法

一、引言

优点 — 利用自身衰变特性，无需外部源 — 无需考虑防护问题 — 费用相对较低 缺点 — 计数率低，测量时间较长 — 易被屏蔽 — 难以测量乏燃料

3 、 SNM 的检测方法 被动检测方法

测量原理 — 使用外部的致电离辐射轰击样品并探测其放射性产物 — 一般为脉冲式，如脉冲中子诱发裂变

3 、 SNM 的检测方法 主动检测方法

一、引言

探测模式

3 、 SNM 的检测方法 主动检测方法

一、引言

优点 — 被检测射线信号更强，提高了灵敏度，降低了误报率 — 缩短了测量时间 缺点 — 费用高，占地大 — 不便防护

3 、 SNM 的检测方法 主动检测方法

一、引言

1 、 基本原理

二、基本原理与方案

PCANI 应用原理

Npp/NC∝ Z

NC∝ Z

NPP∝ Z2

PCANI Pair production and

Compton Atomic Number Identification

1 、 基本原理

二、基本原理与方案

PCANI 应用原理

1 、 基本原理

二、基本原理与方案

PCANI 应用原理

入射光子能量 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

反散射光子能量 0.1872 0.2304 0.2495 0.2604 0.2673 0.2722 0.2758

入射光子能量 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

反散射光子能量 0.2785 0.2807 0.2824 0.2839 0.2851 0.2862 0.2871

入射光子及相应的 135° 反散射光子的能量（ MeV ）

1 、 基本原理

二、基本原理与方案

NRF 应用原理

~

Natural width: ~ 100 meVDoppler

broadened width: ~ 12 eV (N), ~ 3 eV (U)

Incident Photons

Resonant Photon

E

~

1 、 基本原理

二、基本原理与方案

NRF 应用原理

1 、 基本原理

二、基本原理与方案

NRF 应用原理

2 、 基本实验方案

二、基本原理与方案

三、理论与模拟计算

1 、 理论计算

三、理论与模拟计算

材料类型 Be Al Fe Cu AgZ 4 13 26 29 47

NPP/Ni(*10-

3)0.0012 0.0064 0.0335 0.0414 0.0793

NC/Ni (*10-

4)0.2664 0.1271 0.1609 0.1581 0.1059

NPP/NC 0.0469 0.5011 2.0820 2.6177 7.4910材料类型 Ba W Pb U Pu

Z 56 74 82 92 94NPP/Ni(*10-

3)0.0358 0.2072 0.1605 0.2613 0.2754

NC/Ni (*10-

4)0.0320 0.0954 0.0576 0.0703 0.0702

NPP/NC 11.1998 21.7099 27.8697 37.1618 39.2293

1 、 理论计算每个 2MeV 光子产生的湮没光子、康普顿散射光子概率及峰康比

值

三、理论与模拟计算

2 、 模拟计算

蒙卡模拟模型图

三、理论与模拟计算

2 、 模拟计算

轫致辐射 X 射线能谱

三、理论与模拟计算

2 、 模拟计算

探测器处不同材料对应的背散射能谱

三、理论与模拟计算

2 、 模拟计算

模拟获得的 511峰与康普顿比值与 Z 的关系曲线（被测物为长方体）

三、理论与模拟计算

2 、 模拟计算

模拟获得的 511峰与康普顿比值与 Z 的关系曲线（被测物为正方体）

四、实验与结果

实验配置图

四、实验与结果

溴化镧探测器

低压电源

高压电源

PCI-9820数据采集卡 计算机

探测器系统示意图

加速器脉冲同步信号

电磁屏蔽

远程控制计算机

四、实验与结果

实验装置

加速器一台；溴化镧探测器一个；低压电源一个；高压电源一个；计算机一台；

实验样品铅砖若干；Be 砖一块；Al 柱一个；聚乙烯一块；石墨一块；Ti 砖一块；钢块一个；铜板一块；碘颗粒一袋；Gd 砖一块；W 砖一块；

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四、实验与结果

实验结果

五、讨论与小结

理论与模拟计算表明 PCANI 方法可用于物质原子序

数的识别，初步实验与分析结果对此进行了验证；

PCANI 方法对高 Z 物质更为敏感，有利于 SNM 的探

测；

PCANI 与 NRF 方法的结合有利于 SNM 的发现与识别；

在自吸收修正、屏蔽设计、能谱分析等方面还有大量

的工作要做。

End

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