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锰浴法中子源强度基准的γ测量系统研究

作　者: 王晓琼
导　师: 方方；杨元第
学　校: 成都理工大学
专　业: 核技术及应用
关键词: 锰浴法中子源强度基准 LabVIEW 数据采集
分类号: TL81
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着我国核技术的发展,中子源的应用范围逐渐扩大,由最初的核反应逐步扩展到核电、国防、科研、教学、工业、医学及生物研究的领域。建立一套中子源强度基准可以准确的定度中子源强度,采用锰浴法并考虑修正系数的影响可以有效提高测量中子源强度的准确性,扩展中子源强度测量的范围,减小测量结果的不确定度,可以参加国际比对,更好地开展量传工作。中子源强度基准的研究还可以更好地满足相关科研单位、石油测井行业、核电站等对中子源强度测量的需要,同时满足日益增加的中子防护仪表、个人中子剂量监测的检定、校准需要,可以带来显著的社会效益和一定的经济效益。论文依托中国计量科学研究院项目AKY0756:中子源强度测量方法的研究,主要通过改变锰浴法中子源强度基准中MnSO4溶液浓度、温度、流速等条件,及考虑快中子俘获(氧、硫)、中子源对慢化中子的俘获、中子逃逸、锰共振等修正系数来研究测量中子源强度的最佳条件(以Am-Be源为主),最终给出整套锰浴系统的探测效率及最佳的测量条件。基于此项目的最终目的需要首先建立一套锰浴法中子源强度基准。锰浴法中子源强度基准包含锰浴系统和γ测量系统两大部分,其中γ测量系统的稳定性、探测效率会直接影响到整个中子源基准装置的稳定性、探测效率和测量数据的不确定度,所以建立锰浴法中子源强度基准的γ测量系统是十分必要的。本文研究的是锰浴法中子源强度基准的γ测量系统,主要从中子源强度的测量原理、系统硬件结构、系统软件设计和系统总体调试四个方面做了详细的论述。具体测量流程是:使用NaI(Tl)探测器探测锰浴中56Mn发射的γ射线,产生的信号经过前置放大电路和主放大电路进行信号整形放大后,输入到单道脉冲幅度分析器,经过单道分析器的上下阈值的幅度鉴别后输出信号给数据采集卡,并利用LabVIEW软件平台开发出数据采集系统软件,将数据采集卡中的信号采集处理。中子源强度测量采用了锰浴法,它是测量中子源强度最常用的、最广泛的、准确度最高的一种方法。锰浴法的基本原理是:锰浴是一个体积足够大的球状或圆柱状容器,里面装满硫酸锰水溶液。将待测量的中子源悬挂于锰浴的中心,源不断地向四周发射中子,这些中子在水中受到慢化作用。忽略介质对快中子的吸收,则由源发出的全部中子将被慢化成热中子,并被介质中的55Mn和其他物质吸收。当源在锰浴中放置足够长时间后,锰浴中的中子数将达到平衡状态。55Mn吸收热中子后变为56Mn,56Mnβ衰变后跃迁到56Fe的激发态,然后发出γ射线返回56Fe的基态。如果中子源所发射的中子都被55Mn俘获,测量56Mn发射的γ射线,就可以确定中子源的强度。系统硬件主要包含探测器、高压电源、前置放大器、主放大器、单道脉冲幅度分析器和数据采集系统六个模块,其中数据采集系统包括数据采集卡和数据采集系统软件。根据系统的性能要求选取了六个硬件模块,其具体型号为NaI(Tl)探测器(Φ40×40mm的NaI(Tl)晶体和GDB44F型号的光电倍增管)、堪培拉3102D型号的高压电源模块、堪培拉2022型号的谱放大器模块、堪培拉2030单道分析器和NI的PCI-6601型数据采集卡。系统数据采集软件是利用Labview8.2编程软件设计的。软件程序由用户登录、参数设置、数据采集和数据保存四个功能模块组成:用户登录模块可以有效地保护软件的使用安全;参数设置模块用于设置数据采集的方式,选择保存不同通道的数据和不同采集方式需设置相应的测量参数;数据采集模块分为单次定时测量、单次不定时测量和循环定时测量三个测量方式的模块,不同的测量方式可以满足不同的测量需求,方便用户使用;数据保存模块可以记录采集数据:测量次数、通道0总计数、通道0计数率、通道1总计数和通道1计数率,并且可以直接应用EXCEL软件调用和处理保存过的采集数据。程序采用结构化、模块化设计,使软件操作简便、人机交互界面友好。经过对程序进行的性能测试分析,采用不同的测量方式对输入的固定频率信号测试得到的测量结果误差小于0.0075%,完全可以用于测量系统。程序测试结束后将程序生成独立的执行应用程序(EXE),方便用户的使用同时可以防止用户查看或更改程序,有效地保证了程序的安全性及稳定性。此外,数据采集程序可根据实际情况进行扩充和剪裁,只需对软件适当更改即可用于不同的监测场合,有效地提高了程序的实用性。最后,对锰浴法中子源强度基准γ测量系统进行了联机调试,可以正常进行测量,设计了多个实验进行系统测试,系统的测试结果为:系统的时间线性判定系数R2=0.999999(两通道);测量活度线性为: R0 2 =0.99991034(通道0)、R1 2 =0.99778217(通道1);系统重复性为:本底测量时的单次相对标准偏差RSD<3.5%、有源情况下的每组RSD<0.3%、对两路5组的扣除本底后的平均值的RSD<0.2%;系统稳定性:相对偏差0<±0.33%(通道0)、1<±0.05%(通道1)。系统测试结果表明γ测量系统的线性、重复性和稳定性完全可以用于锰浴法中子源强度基准中,为整个中子源强度基准的建立奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章引言  11-14
  1.1 选题依据及研究意义  11
  1.2 研究现状  11-13
  1.3 研究内容  13
  1.4 项目依托  13
  1.5 预期研究成果  13-14
第2章锰浴法中子源强度基准的理论基础  14-21
  2.1 中子及中子源理论  14-18
    2.1.1 中子介绍  14
    2.1.2 中子的分类  14
    2.1.3 中子与物质相互作用  14-16
    2.1.4 中子源分类  16
    2.1.5 中子源强度  16-17
    2.1.6 中子的能量  17-18
  2.2 中子源强度测量方法  18-21
    2.2.1 锰浴法  18-19
    2.2.2 其它浴技术  19-21
第3章研究方案  21-32
  3.1 系统总体设计思想  21
  3.2 方案选择  21-32
    3.2.1 探测器选择  21-27
    3.2.2 高压电源  27
    3.2.3 前置放大电路  27-28
    3.2.4 主放大电路  28-30
    3.2.5 单道脉冲幅度分析器  30-31
    3.2.6 数据采集卡  31
    3.2.7 系统的有关软件  31-32
第4章系统硬件设计  32-36
  4.1 锰浴系统  32-33
  4.2 探测器组件  33
  4.3 高压电源  33-34
  4.4 主放大电路  34-35
  4.5 单道脉冲幅度分析器  35
  4.6 数据采集卡  35-36
第5章系统软件设计  36-55
  5.1 相关理论介绍  36-40
    5.1.1 LabVIEW 介绍  36
    5.1.2 DAQ 系统介绍  36-38
    5.1.3 NI-DAQmx 程序设计基础  38-40
    5.1.4 采样频率的设置  40
  5.2 程序总体设计及流程  40-42
  5.3 程序模块介绍  42-47
    5.3.1 用户登陆模块  42-43
    5.3.2 参数设置模块  43-44
    5.3.3 数据采集（DAQ）模块  44-46
    5.3.4 数据存储模块  46-47
  5.4 程序测试  47-52
  5.5 软件生成及使用说明  52-55
第6章系统性能测试  55-68
  6.1 探测器性能测试  55-57
    6.1.1 光电倍增管的坪曲线  55-57
    6.1.2 探测器组件输出的脉宽  57
  6.2 主放大模块的线性测试  57-59
  6.3 单道脉冲幅度分析器的阈值选择  59-60
  6.4 数据采集系统线性测试  60-61
  6.5 系统线性测试  61-64
    6.5.1 系统时间线性测试  62-63
    6.5.2 系统测量活度线性测试  63-64
  6.6 系统重复性测试  64-65
  6.7 系统稳定性测试  65-66
  6.8 系统性能总结  66-68
结论  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-72
攻读学位期间取得学术成果  72

锰浴法中子源强度基准的γ测量系统研究

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