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基于geant4的能谱滤波分离多谱CT成像虚拟平台设计

基于Geant4的能谱滤波分离多谱CT成像虚拟平台设计

引用

作者：郭蓉中北大学

学位级别：硕士

工业CT系统中,传统的CT成像系统易出现硬化伪影、重建质量差等问题而无法满足材料组分区分的功能成像需求。目前基于能谱滤波分离的多谱成像技术相对于光子计数型多谱CT和双能CT,在技术成熟度及可行性方面具有一定的优势。该方法通过添... 详细信息

工业CT系统中,传统的CT成像系统易出现硬化伪影、重建质量差等问题而无法满足材料组分区分的功能成像需求。目前基于能谱滤波分离的多谱成像技术相对于光子计数型多谱CT和双能CT,在技术成熟度及可行性方面具有一定的优势。该方法通过添加滤波片实现能谱分离成像,提高了材料组分区分度。但目前受限于滤波片厚度、材料及与材料组分匹配优度,该方法需要多次重复实验进行验证优化。因此,本文为了提高该多谱成像方法的研究效率,采用蒙特卡罗仿真技术,研究多谱衰减及多谱散射模型,进一步结合geant4平台,设计能谱滤波分离多谱CT成像虚拟平台,进而为能谱滤波分离及能谱匹配的理论研究提供仿真验证平台。论文首先在分析CT成像与仿真的原理基础上,研究了相应的射线能谱仿真模型、散射仿真模型及多谱投影仿真模型,并基于geant4及相关软件搭建了可定制的软件开发环境;同时,针对该虚拟平台的设计目标,研究了各仿真模型的模块化设计并将其整合成可互相调用的接口功能层,融入整体框架,实现了多谱CT成像的虚拟平台搭建,并在此基础上通过仿真实验进行了平台验证;最后,依据能谱滤波分离的实现过程建立了对应的投影仿真模型,并结合geant4平台设计了能谱滤波分离的多谱CT成像虚拟平台。研究结果表明,对于密度相近的检测物质,该虚拟平台可以逼真地模拟能谱滤波分离的多谱CT成像系统,实现材料组分区分的功能成像,为能谱滤波分离及能谱匹配的理论研究提供了仿真验证平台。

关键词： X射线光学能谱滤波分离 geant4模拟多谱CT成像

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基于PGNAA的土壤重金属测量技术模拟研究

基于PGNAA的土壤重金属测量技术模拟研究

引用

作者：苏宏坤哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着我国社会经济的发展,土壤重金属污染问题日益突出,对人们的生活环境和身体健康造成了严重威胁。土壤重金属污染测量是土壤重金属污染防治的重要一环,因此土壤重金属污染测量技术的发展和完善具有重要意义。传统的实验室测量方法耗... 详细信息

随着我国社会经济的发展,土壤重金属污染问题日益突出,对人们的生活环境和身体健康造成了严重威胁。土壤重金属污染测量是土壤重金属污染防治的重要一环,因此土壤重金属污染测量技术的发展和完善具有重要意义。传统的实验室测量方法耗时、低效,随着现场快速排查、应急测量、大面积地块初步调查等土壤重金属现场测量分析的需求的增加,土壤重金属污染现场测量技术的发展逐渐被关注。瞬发γ射线中子活化反应(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGNAA)技术具有无损、多元素、连续在线测量、大体积测量等独特优势。通过geant4模拟程序对基于PGNAA的土壤重金属原位测量技术进行了研究。使用Am-Be同位素中子源和D-D中子发生器作为PGNAA土壤重金属原位测量的中子源,提出了基于这两种中子源的测量系统结构设计,并对测量系统的性能进行了研究和比较。使用geant4程序构建了基于这两种中子源的土壤重金属原位测量系统的模型。以提高中子利用率为目标,对测量系统的的慢化层、反射层和屏蔽层的材料和厚度进行优化设计。计算评估了测量系统在工作过程中的周围剂量当量率,在中子产额、测量点距离等条件相同的情况下,Am-Be中子源测量系统的剂量当量率大于D-D中子发生器测量系统。通过设置和改变测量系统工作状态下中子与土壤发生相互作用的土壤范围、土壤层深度,分析测得的重金属元素特征γ射线强度的变化趋势,得到了两测量系统进行PGNAA土壤重金属原位测量的测量范围、测量深度。使用谱库最小二乘法对土壤的特征γ能谱进行全谱分析计算出土壤重金属元素含量。为了提升解谱的准确性,引入了一种加权优化方法。对特征γ能谱的2.2 Me V能谱峰与7.2 Me V、7.7 Me V等能谱峰的峰高比、单元素能谱的反解结果和重金属元素含量的测量结果进行了优化前后的对比。对比结果表明了加权优化方法能提高特征γ能谱解谱结果的准确性。构建了一个小型的标准土壤样品能谱库,并设置了五组待测土壤。模拟对土壤中不同含量的铁、锰、铜、镍、铬等重金属元素进行原位测量的过程,得到了各个重金属元素含量在不同量级时的测量相对误差,证明了PGNAA应用于土壤重金属污染原位测量的可行性。

关键词：土壤重金属原位测量瞬发γ射线中子活化分析 geant4模拟活化中子源 γ能谱解谱

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基于硅微通道阵列的X射线闪烁屏技术研究

基于硅微通道阵列的X射线闪烁屏技术研究

引用

作者：张益博长春理工大学

学位级别：硕士

随着X射线成像技术的发展,高发光效率、高探测效率已经成为X射线成像系统核心器件闪烁屏的主要性能要求。传统的薄膜晶柱状闪烁屏存在晶柱粘连等问题,会发生光串扰现象,导致闪烁屏的空间分辨率受到限制。虽然可以通过降低闪烁屏的厚度... 详细信息

随着X射线成像技术的发展,高发光效率、高探测效率已经成为X射线成像系统核心器件闪烁屏的主要性能要求。传统的薄膜晶柱状闪烁屏存在晶柱粘连等问题,会发生光串扰现象,导致闪烁屏的空间分辨率受到限制。虽然可以通过降低闪烁屏的厚度保证闪烁屏的空间分辨率,但是这会影响闪烁屏的探测效率。为了保证探测效率的同时实现高分辨率,基于微通道阵列的X射线闪烁屏应运而生。这种结构闪烁屏可以在不影响探测效率的情况下提高闪烁屏的空间分辨率。本文开展了基于硅微通道阵列的X射线闪烁屏技术研究。研究了CsI（Tl）闪烁屏发光的基础理论,分析了X射线与CsI（Tl）闪烁晶体之间的相互作用,详细阐述了光电效应、康普顿散射、电子对效应三个主要作用方式。从能带的角度解释了CsI（Tl）闪烁晶体发光原理。介绍了基于硅微通道阵列的CsI（Tl）闪烁屏工作原理,分析了荧光光子在通道内的传输过程,提出了改善荧光光子传输效率的方法。运用geant4软件,完成了基于硅微通道阵列的X射线CsI（Tl）闪烁屏的模型构建和模拟,研究了X射线能量、闪烁屏孔深度、硅壁厚度及反射层材料对X射线CsI（Tl）闪烁屏底部光输出的影响。模拟结果表明:孔深度越大,输出光子数越多;增大X射线能量,底部输出光子数会先快速增加,达到峰值后逐渐减少;硅壁厚度增加,对相邻CsI（Tl）微柱之间闪烁光串扰抑制作用增加,闪烁屏底部输出光子数会减少;通道内壁反射层材料折射率越低,底部输出光子数越高。通过光刻、ICP刻蚀、硅各向异性湿法腐蚀、光辅助电化学腐蚀、整形等工艺,制备出通道深约320μm、周期为10μm的硅微通道阵列基体。研究了整形时间对硅微通道阵列基体形貌的影响;研究了硅的干氧氧化时间与生成的Si O2反射层厚度的关系;研究了CsI（Tl）填充工艺,分析了通道底部存在空隙的原因,研究表明高真空度和低充气速率的填充效果更好,通过真空熔融填充法成功的制备出基于硅微通道阵列的CsI（Tl）闪烁屏。搭建了X射线闪烁屏成像测试装置,进行了实物成像测试,研究了硅壁厚度、填充温度及Si O2反射层对闪烁屏性能的影响。结果表明:随着硅壁厚度的增加,CsI（Tl）闪烁屏的成像亮度减小;随着Si O2反射层厚度增加,CsI（Tl）闪烁屏的成像亮度上升;填充温度为660℃的闪烁屏亮度和发光均匀性都要高于填充温度为630℃和690℃的闪烁屏。

关键词： X射线闪烁屏硅微通道阵列 geant4模拟 CsI(Tl)闪烁晶体亮度

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基于缓发中子的铀材料质量测量模拟研究

基于缓发中子的铀材料质量测量模拟研究

引用

作者：赵云龙哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

核燃料后处理厂等设施场所在生产中会产生一些桶装核废物,除了核材料外,桶内通常还含有大量的铁屑、聚乙烯和纤维板等基体材料。传统的核材料质量主动中子质询技术是测量核材料被诱发裂变后发射的具有时间关联性的瞬发裂变中子,但是质... 详细信息

核燃料后处理厂等设施场所在生产中会产生一些桶装核废物,除了核材料外,桶内通常还含有大量的铁屑、聚乙烯和纤维板等基体材料。传统的核材料质量主动中子质询技术是测量核材料被诱发裂变后发射的具有时间关联性的瞬发裂变中子,但是质询源的高背景中子限制了该技术的测量精度。因此大型（208 L）废物桶质量测量装置主要基于缓发中子的时间特性进行测量。为了弥补目前国产大型废物桶测量装置在铀材料质量测量方面研究的不足,对基于缓发中子的废物桶测量方法展开了模拟研究。基于geant4对标准208 L废物桶测量装置Shuffler进行了建模和验证以及相应的缓发中子物理输运过程研究。geant4无缓发中子信息,通过编写的缓发中子模拟程序抽样产生缓发中子的方向、能量、位置、数量等信息,实现对缓发中子的模拟。中子输运过程采用的是geant4高精度中子模型。模拟验证中缓发中子数与裂变次数的比值与文献的相对偏差为3.16%,拟合缓发中子能谱得到的各组平均能量值与文献值最大偏差不超过2.2%,说明了基于geant4建立的模型和物理输运过程的正确性。利用仿真模型针对不同基体下的U3O8样品进行了缓发中子计数率与235U质量的曲线刻度研究。无基体情况下样品中的235U质量和计数率呈现线性的关系,而基体中存在的慢化材料则会导致计数率的改变。通过两根通量监测器计数的比值R作为基体材料对中子慢化和吸收特性的指标来修正基体情况下的非线性计数率曲线。针对乏燃料后处理厂的核废物,进行了0.7%,2%,3%富集度U3O8样品在不同基体下缓发中子计数率的变化模拟研究,分别得到了3个富集度下样品曲线的刻度系数。验证了富集度为3%的5个U3O8样品在不同基体下的质量重构效果,最大的测量偏差为9.91%,证明了曲线刻度的正确性。推导了净缓发中子计数下限的表达式,当本底计数率取10 s-1时,得到装置最小可检测质量为302 mg,证明其具有针对小质量铀材料测量的能力。利用模型和方法进行了不同质询源能谱、测量系统参数、核材料与基体材料特征等因素对结果的影响模拟研究。通过对比252Cf源、D-D源、D-T源、Am-Li源、Am-Be源能谱在不同基体下诱发U3O8样品缓发中子计数率的变化趋势,得到了五种质询源各自最适合的R测量范围。研究了Shuffler在3He布局、压强、半径、管心距等方面的规律,制定了相应的测量优化设计,使系统的探测效率从32.43%增加到34.53%。对于核材料的排布方式,集中布局时随着核材料质量的增加,增殖效应和自屏蔽效应都会使计数率与质量测量曲线偏离线性。针对桶内有粉末状的样品或者在去污过程中有核材料沾染的情况进行了样品弥散对缓发中子计数率影响研究,随着样品弥散范围的扩大,Shuffler测得计数率呈先增加后减小的趋势。

关键词：缓发中子铀质量测量核废物桶 geant4模拟中子质询

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5MeV电子辐照加速器剂量分布与辐射屏蔽研究

5MeV电子辐照加速器剂量分布与辐射屏蔽研究

引用

作者：刘奕路哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

作为一种新型非热加工技术,电子束辐照具备功率大、束流能量利用率高、辐照时间短等优势。近年来国内外的电子束辐照技术日趋完善,其应用能力和社会经济效益随之不断凸显。运行中电子辐照加速器辐射场分布的复杂性、出射束流及加工物品... 详细信息

作为一种新型非热加工技术,电子束辐照具备功率大、束流能量利用率高、辐照时间短等优势。近年来国内外的电子束辐照技术日趋完善,其应用能力和社会经济效益随之不断凸显。运行中电子辐照加速器辐射场分布的复杂性、出射束流及加工物品的多样性,均体现出针对特定能量电子辐照加速器的剂量分布特征与屏蔽优化问题进行深入探究的迫切性。论文即是围绕5 Me V的电子辐照加速器,依托中国原子能科学研究院相关项目课题,基于geant4框架开展了三个方面的工作,其结果为特定能量电子辐照加速器剂量与屏蔽的研究提供了参考。首先通过理论公式给出了5 Me V电子辐照加速器屏蔽墙透射剂量率、迷道各点剂量率、天空反散射剂量率以及运行期间臭氧浓度的计算结果:剂量率均小于2.5μSv/h;臭氧质量体积浓度达到68.2 mg/m每小时,以换气速度为1分钟1次计,加速器停运行后约8分钟可进入辐照间。随后利用geant4模拟计算了5 Me V电子轰击铁靶产生的轫致射线能谱与角分布,并以此为基础模拟计算了加速器运行过程中的各探测点剂量率,与理论计算值的偏差小于10%,验证了geant4模拟计算的正确性。其次针对5 Me V电子辐照加速器的现有屏蔽方案进行了理论计算、模拟验证与屏蔽材料优化探究。对不同位置处所需屏蔽厚度进行了理论计算,计算厚度小于现有方案设计厚度。对X射线发射率参数进行了电子束打靶的模拟计算,结果显示5 Me V电子打靶在90°方向和0°方向的X射线发射率与NCRP No.51报告给出的值符合度较好;在同一靶半径下满足最大X射线发射率的最佳靶厚值因方向而异。对屏蔽体的材料组合进行了不同优化方案的模拟计算,结果显示采用低原子序数材料作屏蔽首层对减少电子与屏蔽物质核相互作用确有效果;同等体积屏蔽体改用铝包聚乙烯+钢包铅的组合材料,屏蔽效果不变而且可节省原成本的50%以上。在对电子辐照加速器本体辐射特性进行探究之后,基于电子辐照加速器出射的电子束,针对水与聚乙烯这两种典型辐照加工材料的内部剂量分布进行了研究。从计算结果来看,入射电子能量越高,其在受照材料中的所能达到的最大剂量深度和最佳厚度也就越大;辐照对象内的吸收剂量值及分布范围随电子入射深度的增加呈现先增后减的变化趋势。在单面辐照条件下,电子入射能量与辐照产品最佳厚度之间存在近似线性正比关系。衬底材料的有无能够影响辐照产品的深度剂量分布,且高Z介质衬底对产品深度剂量分布的影响要远大于低Z介质衬底的影响。就聚乙烯材料而言,电子束的不同射野面积对其深度剂量分布没有明显的边界效应影响。最后基于电子辐照加速器打靶转换出射的X射线,为改善其剂量分布均匀度,利用geant4进行了均整器的模拟设计与实物测试,结果显示其能够满足均匀度指标要求,出射的X射线剂量率在所要求的±7.5°范围内均可达到中心点剂量率的90%以上,实测值与模拟值的相对误差均不超过2.8%,达到了设计目的。

关键词：电子辐照加速器 geant4模拟剂量分布屏蔽技术辐射场

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高纯锗探测器点电极周围材料的本底贡献模拟研究

高纯锗探测器点电极周围材料的本底贡献模拟研究

引用

作者：杨丽梅辽宁大学

学位级别：硕士

暗物质是组成宇宙的重要成分之一。揭露暗物质粒子的神秘面纱对于人类重新认识物质世界意义重大。目前呼声最高且大有概率可以被实验探测到的暗物质候选粒子是基于超对称理论预言的弱相互作用重粒子(Weakly interacting massive particl... 详细信息

暗物质是组成宇宙的重要成分之一。揭露暗物质粒子的神秘面纱对于人类重新认识物质世界意义重大。目前呼声最高且大有概率可以被实验探测到的暗物质候选粒子是基于超对称理论预言的弱相互作用重粒子(Weakly interacting massive particles,WIMPs)。最可行的探测方案有三种,直接探测法就是其中之一。暗物质直接探测实验作为极低本底实验之一,其核心在于实现极低本底。中国暗物质实验(China Dark matter Experiment,CDEX)位于世界岩石覆盖厚度最厚的地下实验室——中国锦屏地下实验室(China Jinping underground Laboratory,CJPL),其优越的地理条件为我国开展极低本底实验提供了优势。本课题基于CDEX-1B实验的本底物理事例能谱,通过调研国内外暗物质直接探测实验组对低能区本底的解析,发现造成低能区能谱上升的本底来源之一是:锗晶体附近材料中氡的子体Pb衰变所产生的各类子体。它们能够从点电极高纯锗探测器的P电极面打入锗晶体中从而贡献本底。因此对这部分本底事例的研究对于提高CDEX实验暗物质探测的灵敏性至关重要。针对这部分本底事例,本课题通过使用geant4模拟软件,选取并验证了能够准确描述重带电粒子在材料表面物理行为特征的物理过程;在确保物理过程正确性的基础上模拟氡的子体Pb的衰变过程,为验证模拟程序的正确性参考了SuperCDMS实验组对表面事例的模拟结果,因为该模拟实验已经与其实测数据取了得良好的一致性;确定模拟程序的正确性后,使用CDEX-1B实验的原型探测器,在P面处设置一个Pb点源和一个理想的电子学器件。通过模拟实验与CDEX-1B实验的本底物理事例能谱对比,能够定性的给出Pb各个衰变子体对低能区本底贡献的大小。

关键词： geant4模拟暗物质直接探测点电极高纯锗探测器低能区低本底

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核材料中子多重性测量技术研究

核材料中子多重性测量技术研究

引用

作者：孙诗奇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

中子多重性测量技术是基于核材料裂变中子时间关联特性的一种核材料质量表征技术。该技术早期主要被用于军控核查,后面逐渐被国际原子能机构（International Atomic Energy Agency;IAEA）用于国际核保障领域。目前该技术也被广泛用于核... 详细信息

中子多重性测量技术是基于核材料裂变中子时间关联特性的一种核材料质量表征技术。该技术早期主要被用于军控核查,后面逐渐被国际原子能机构（International Atomic Energy Agency;IAEA）用于国际核保障领域。目前该技术也被广泛用于核燃料循环中的核材料衡算和控制工作。中子多重性测量技术是利用核材料发射的裂变中子的时间关联性,利用数学工具解释裂变中子在核材料中的产生、增殖、探测等过程。利用概率生成函数和阶乘矩概念表示裂变中子多重性分布中包含的核材料裂变率、增殖系数、（α,n）系数等与质量计算相关参数。利用上述数学工具对中子多重性基本原理进行了完整的阐述和解释。根据中子多重性计数原理完成了中子多重性的全模拟和实验工作。利用基于蒙特卡罗方法的geant4仿真软件对铀中子符合环计数器进行了建模和中子输运模拟,并利用排序算法对测量的中子时间序列进行排序,然后利用中子多重性计数原理处理排序后的时间序列,得到中子多重性分布。利用252Cf和燃料组件分别计算铀中子符合环的探测效率和衰减时间,并且进一步模拟了燃料组件235U线密度和符合计数率的校准曲线。与参考文献比较发现:符合计数率的最大绝对偏差小于17,最大相对偏差小于7%,平均相对偏差为0.9%,结果与参考文献基本吻合,验证了geant4中铀中子符合环建模、中子输运物理过程以及后续多重性处理的正确性。在保证中子多重性全模拟正确的基础上,利用铀中子符合环模拟了标准压水堆燃料组件235U线密度和符合计数率校准曲线,并利用Deming拟合方法对曲线进行了拟合,得到了符合计数率和235U线密度的函数关系式,校准常数a=9.3737和b=0.01042。为了评估Am-Li中子源对组件的穿透能力,模拟记录了裂变中子在燃料组件中的三维位置信息。发现裂变中子主要集中在距离Am-Li中子源附近的燃料棒中,还有一部分裂变中子集中在聚乙烯平板附近的燃料棒中;而远离中子源和平板附近区域的裂变中子贡献非常少,因此该区域可能存在非法核材料转移的可能性。通过设置高、低两种富集度燃料棒在该区域替换,比较替换后与替换前符合计数率的相对偏差,研究铀中子符合环对该区域核材料富集度变化的敏感度。发现高富集度燃料棒替换下,符合计数率相对偏差最小为5.7%、最大为34.5%;而低富集度替换下,平均相对偏差仅为2.66%左右。因此,铀中子符合环对该区域高富集度替换非常敏感,而对低富集度,甚至移除少量燃料棒的情况不敏感。此外,由于含钆组件出现,在核保障应用中需要评估铀中子符合环对含钆组件的适应能力。通过设置不同钆富集度和数量的钆棒,均匀的替换组件中标准燃料棒。比较替换前和替换后符合计数率相对偏差,发现相对偏差最小约为6%,最大约为35%。且敏感度不仅受到钆富集度和数量影响,还受到替换位置的影响。因此目前铀中子符合环不适用于含钆组件的铀材料质量测量。利用国家核安保技术中心的钚废物中子多重性计数器装置,对252Cf和钚金属进行了多重性测量,并利用多重性方程求解了核材料质量。发现三组不同强度252Cf源的质量相对偏差最大为10%,钚金属的最大保守质量相对偏差为18.5%。通常钚废物多重性计数器的质量测量误差在5%～10%左右,钚金属测量结果偏差较大的原因可能是测量时间较少导致统计误差较大。改变符合门宽测量钚金属质量,研究符合门宽对质量测量的影响规律,发现符合门宽取值在1.3倍衰减时间左右合适。

关键词：核材料质量中子多重性测量技术 geant4模拟铀中子符合环

来源：评论

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用于暗物质探测的闪烁体相关问题研究

用于暗物质探测的闪烁体相关问题研究

引用

作者：李春阳南华大学

学位级别：硕士

WIMPs作为暗物质最佳的候选粒子，对宇宙学、天文学和粒子物理学来说，探测和研究WIMPs意义重大。但是WIMP与普通物质相互作用概率极低，因此核心探测器材料的选择是增强排除本底能力，提高信号分辨率的关键。现在直接探测WIMP粒子的探... 详细信息

WIMPs作为暗物质最佳的候选粒子，对宇宙学、天文学和粒子物理学来说，探测和研究WIMPs意义重大。但是WIMP与普通物质相互作用概率极低，因此核心探测器材料的选择是增强排除本底能力，提高信号分辨率的关键。现在直接探测WIMP粒子的探测器材料包括Xenon、CsI（Tl）晶体、NaI(Tl)晶体和半导体探测器等。为了选择最佳的暗物质核心探测器材料，本工作对CsI(Na)晶体和BaF2晶体的性能做了对比分析研究。本文在CsI(Na)晶体的研究基础上，对BaF2晶体波形鉴别反冲核信号与电子信号性能开展了实验研究，实验结果表明-40℃情况下BaF2晶体的发光最强。相对于常温，核反冲发光提高76%，电子反冲提高62%。在此温度下，分别使用积分法和平均时间法给出了在60%的探测效率下的电子反冲信号的排除效率分别为96.5±3.0%和99.6±0.7%。因此BaF2的粒子鉴别能力不如CsI(Na)。为了使用geant4模拟获取最接近真实的核反冲信号和电子反冲信号波形，调研CsI(Na)晶体的各项光学参数。通过设置这些参数，使模拟产生的信号波形与实验测量信号波形相吻合。为实现模拟获得暗物质探测器的粒子分辨性能奠定了基础。本文基于geant4模拟对暗物质中心探测器自身以及屏蔽材料中的天然放射性核素238U、232Th和40K进行了本底研究。本文的研究结果对探测器设计优化和暗物质探测器的性能评价提供了参考。

关键词： WIMP BaF2晶体脉冲波形甄别 geant4模拟

来源：评论

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基于GEM的热中子位置灵敏探测器的研究

基于GEM的热中子位置灵敏探测器的研究

引用

作者：宋仔峰中国科学技术大学

学位级别：硕士

中子具有强穿透性、紧邻元素分辨和非破坏性等特点,可以用来研究物质的微观结构。中子与物质相互作用的截面与其动量成反比,因此,具有较低能量的热中子成为科学研究和新材料研发的重要工具。随着可以提供高通量热中子束的新一代中子源... 详细信息

中子具有强穿透性、紧邻元素分辨和非破坏性等特点,可以用来研究物质的微观结构。中子与物质相互作用的截面与其动量成反比,因此,具有较低能量的热中子成为科学研究和新材料研发的重要工具。随着可以提供高通量热中子束的新一代中子源在世界各地相继兴建,大面积的位置灵敏热中子探测器成为一个重要的研究课题。本文主要介绍热中子位置灵敏探测器的一种设计方案。方案基于热中子与硼-10的核反应10B（n,α）7Li,采用10B固体靶物质,探测出射粒子α和产物粒子7Li,采用基于Pads阵列的读出方式,利用重心读出的方法获得中子位置信息。我们采用蒙特卡罗模拟软件geant4模拟中子与10B反应及α粒子在靶内的分布,给出单层硼靶材的最佳厚度,热中子探测器效率;模拟出射离子的输运过程,给出热中子探测的本征位置分辨能力;模拟出射离子在工作气体里的能量沉积分布及射程,给出探测器的最佳空间结构。根据模拟结果并考虑到使探测器空间结构最小化、工作气体的提供及读出电子学的连接,利用AutoCAD机械设计工具设计出探测器的整体框架和零部件。由气体探测器对工作气体的要求,选择了Ar+CO2作为探测器的工作气体。由Garfield模拟不同气体混合的倍增结果,给出了气体的混合比例。并建立了一套这样的工作气体的供应系统。根据读出位置分辨的要求及考虑到读出电子学的复杂程度,利用Protel设计了基于Pads阵列读出方式的收集板。利用电磁场模拟软件Maxwell+Garfield模拟了THGEM的最佳空间结构,及实现倍增需要的传输场强和漂移场强的大小,并在此基础上利用Protel设计了供实验测试用的THGEM和给探测器各部件提供电压的分压板。完成了探测器正常工作所需要的供气系统和高压供电系统的建立。对中子转换体硼膜的制备进行了研究,采用粉末冶金法制备了用于PLD实验的硼靶材。根据热中子转换体需要的衬底条件,选择了镀铝的聚酰亚胺薄膜作为衬底。提出了利用PLD法制备硼膜的实验方案,并对制备的硼膜进行了分析。由实验结果可见,制备的硼薄膜表面光滑、无裂痕,可作为热中子转换体,但样品表面硼含量偏低,薄膜厚度还不理想,因此该制备方法还有待进一步提高。实验方面,仅进行了初步的部分实验。完成了探测器高压实验和THGEM漏电流的实验,对利用5.9keV的γ射线测试其能谱的实验还在进行当中。

关键词：热中子位置灵敏 geant4模拟设计 Garfield THGEM 硼膜

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α表面污染测量系统的研制

α表面污染测量系统的研制

引用

作者：辛杰苏州大学

学位级别：硕士

本文针对微小空间和复杂表面α泄露的检测及工作人员辐射防护的特殊需求,基于离子注入型硅半导体（Passivated Ion-Implanted Planar Silicon,PIPS）,研制了一套高精度微小探头α能谱测量系统。同时,针对α、β表面污染共存的工作条件,... 详细信息

本文针对微小空间和复杂表面α泄露的检测及工作人员辐射防护的特殊需求,基于离子注入型硅半导体（Passivated Ion-Implanted Planar Silicon,PIPS）,研制了一套高精度微小探头α能谱测量系统。同时,针对α、β表面污染共存的工作条件,采用脉冲形状甄别（Pulse Shape Discrimination,PSD）技术,研制了一套基于叠层闪烁体探测器的α/β表面污染测量系统,克服了传统脉冲幅度方法难以甄别α、β的缺陷。主要研究工作和成果如下:（1）高精度微小探头α能谱测量系统的研制主要包括探头设计、硬件电路设计、软件设计以及实验测试。为获得较高的能量分辨率以及适应特殊的应用场合,设计了小型PIPS探头,能够尽可能接近待测物体表面,减小空气对α粒子的散射影响。硬件电路由模拟信号调理电路、A/D转换电路、数字电路和电源电路组成,下位机的软件系统与硬件电路相辅相成,控制A/D转换以及完成与上位机进行数据通信的任务。上位机采用LabVIEW软件编写了能谱采集软件,用以接收下位机发送的经A/D转换后的数字量,并累积成谱。实验测试使用活度为6360/min（2π）的241Am放射源,结果表明该系统可测量的能量范围为0.31 MeV～20.81 MeV,满足α放射性核素的测量,空气中的能量分辨率为1.9%@5.486 MeV,该能量分辨能力与ORTEC核电子学系统的性能相当,探测效率约为80%。（2）基于叠层闪烁体的α/β表面污染测量系统原理样机的研制主要包括结构设计、ZnS（Ag）涂层的制作、实验测试以及geant4模拟研究。为满足α表面污染的检测需求,同时测量并精确甄别β粒子,利用PSD技术,设计了叠层闪烁体探测器。实验测试使用活度为6360/min（2π）的241Am放射源,结果显示α探测效率接近100%,α/β甄别能力FOM（Figure of Merit）高达7.14。分析geant4模拟结果得到,β探测单元塑闪的最适厚度为0.4 mm,ZnS（Ag）涂层基板PMMA的最适厚度为90μm,为探测器的后续优化设计提供了理论支撑。

关键词： α表面污染 PIPS 叠层闪烁体 α/β甄别 geant4模拟

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