核素識(shí)別方法、核素識(shí)別系統(tǒng)及光中子發(fā)射器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種核素識(shí)別方法、核素識(shí)別系統(tǒng)及用于核素識(shí)別的光中子發(fā)射器，特別是用于識(shí)別諸如233U，235U和239Pu的易裂變核素的方法、系統(tǒng)及光中子發(fā)射器。
【背景技術(shù)】
[0002]在安檢中，對(duì)于易裂變核素的檢查是非常重要的。所謂易裂變核素，主要指的是233U，235U和239Pu等由熱中子即可誘發(fā)裂變的核素。與之對(duì)應(yīng)的，則是不易裂變核素，例如238U0如果鈾材料中的235U豐度很高(例如超過90%)，那么它就可能是武器級(jí)的鈾材料，反之，如果豐度很低(如天然的0.7%或更低)，則就是貧鈾。
[0003]在實(shí)際工作中，了解一個(gè)鈾材料是屬于富集鈾還是貧鈾是很重要的，這涉及到了對(duì)該材料的處理方法，前者要嚴(yán)格管控，后者則可以在規(guī)則允許的范圍內(nèi)進(jìn)行使用。因此，就需要對(duì)鈾材料中的235U和238U的豐度形成認(rèn)識(shí)。
[0004]由于鈾的這兩個(gè)同位素具有同樣的原子序數(shù)(Z=92)，因此通過MeV能量的光子類方法是無法完成對(duì)它們的區(qū)分的(因?yàn)檫@個(gè)能量的光子只敏感于元素，而非核素)，必須考慮中子類方法。
[0005]中子類方法包含了許多細(xì)分技術(shù)，例如:
[0006]1、中子誘發(fā)瞬發(fā)伽馬射線分析，和
[0007]2、中子誘發(fā)裂變。
[0008]在技術(shù)I中，利用235U和238U吸收中子后產(chǎn)生的特征Y射線能譜的不同來進(jìn)行二者之間的分辨。這種技術(shù)的主要問題在于238U的熱中子吸收截面較小，靈敏度差，因此難以使用熱中子的輻射俘獲反應(yīng)。快中子的非彈散射反應(yīng)雖然可以用，但是快中子源的產(chǎn)額和壽命通常都不夠，因此難以進(jìn)行實(shí)用。
[0009]在技術(shù)2中，利用235U的易裂變特性和裂變后的β緩發(fā)中子、光子，可以對(duì)235U的存在與否做出提示。但是這種方法的特異性不強(qiáng)，僅靠這些信號(hào)無法準(zhǔn)確地確認(rèn)就是235U核素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此，本發(fā)明的目的是提供一種核素識(shí)別方法、核素識(shí)別系統(tǒng)及用于核素識(shí)別的光中子發(fā)射器，由此例如提高核素識(shí)別的準(zhǔn)確度，以及提供實(shí)用的核素識(shí)別方法及系統(tǒng)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供了一種用于核素識(shí)別的光中子發(fā)射器，光中子發(fā)射器包括:用于發(fā)射電子的脈沖電子加速器；以及用于接收脈沖電子加速器發(fā)射的電子，并將該電子轉(zhuǎn)換成光中子的光中子轉(zhuǎn)換靶。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述光中子轉(zhuǎn)換靶的體積大致是100至8000立方厘米、100至2500立方厘米，或大致是785立方厘米。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述光中子轉(zhuǎn)換靶是圓柱體，該圓柱體的直徑和軸向長度的范圍是5至20厘米、5至15厘米、8至12厘米、9至11厘米、9.5至10.5厘米、或大致是10厘米。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一方面，該圓柱體的直徑和軸向長度大致相等。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述光中子轉(zhuǎn)換靶是正方體，該正方體的邊長的范圍是5至20厘米、5至15厘米、8至12厘米、9至11厘米、9.5至10.5厘米、或大致是10厘米。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述光中子轉(zhuǎn)換靶由重水或者鈹形成。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供了一種核素識(shí)別方法，該方法包括如下步驟:將被檢查的物體放置在光中子發(fā)射器與光中子探測(cè)器之間；由光中子發(fā)射器在預(yù)定時(shí)刻發(fā)射預(yù)定能量范圍的光中子；
[0018]由光中子探測(cè)器檢測(cè)分別經(jīng)不同飛行時(shí)間到達(dá)光中子探測(cè)器的光中子數(shù)量，由此獲得依飛行時(shí)間排列各個(gè)所述光中子數(shù)量的樣品譜；以及根據(jù)上述樣品譜中特定飛行時(shí)間范圍的光中子數(shù)量是否低于預(yù)定值，確定物體所含的核素。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述核素識(shí)別方法還包括:在不放置物體的情況下，由光中子發(fā)射器在預(yù)定時(shí)刻發(fā)射預(yù)定能量范圍的光中子，由光中子探測(cè)器檢測(cè)分別經(jīng)不同飛行時(shí)間到達(dá)光中子探測(cè)器的光中子數(shù)量，由此獲得依飛行時(shí)間排列各個(gè)所述光中子數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)譜；以及通過將樣品譜與標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行比較，確定樣品譜中特定飛行時(shí)間范圍的光中子數(shù)量是否低于預(yù)定值。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述核素識(shí)別方法還包括:根據(jù)特定飛行時(shí)間范圍的光中子數(shù)量與由光中子發(fā)射器發(fā)射的、對(duì)應(yīng)特定飛行時(shí)間的光中子數(shù)量的比值，確定物體所含核素的重量。
[0021 ] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，光中子發(fā)射器在同一時(shí)刻發(fā)射預(yù)定能量范圍的光中子。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述預(yù)定能量范圍是0.1至1000eV。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述被檢查的物體包含易裂變核素。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述光中子發(fā)射器是上述的光中子發(fā)射器。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供了一種核素識(shí)別系統(tǒng)，該核素識(shí)別系統(tǒng)包括:光中子發(fā)射器，用于在預(yù)定時(shí)刻發(fā)射預(yù)定能量范圍的光中子；光中子探測(cè)器，用于接收光中子發(fā)射器發(fā)射的光中子以獲得各個(gè)時(shí)刻接收的光中子量；
[0026]光中子飛行時(shí)間計(jì)時(shí)器，用于記錄光中子發(fā)射器發(fā)射的光中子從發(fā)射到被光中子探測(cè)器接收的飛行時(shí)間；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)每一時(shí)刻光中子探測(cè)器接收到的光中子的數(shù)量以及飛行時(shí)間，形成依飛行時(shí)間排列各個(gè)所述光中子數(shù)量的光中子數(shù)量譜。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述核素識(shí)別系統(tǒng)還包括:比較確定單元，用于將被檢查物體放置在光中子發(fā)射器與光中子探測(cè)器之間時(shí)獲得的光中子數(shù)量譜中、特定飛行時(shí)間范圍的光中子數(shù)量與預(yù)定值進(jìn)行比較，確定物體所含的核素。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述比較確定單元通過將放置物體時(shí)的獲得的光中子數(shù)量譜與沒有放置物體時(shí)獲得的光中子數(shù)量譜進(jìn)行比較，確定放置物體時(shí)的光中子數(shù)量譜中特定飛行時(shí)間范圍的光中子數(shù)量是否低于預(yù)定值。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述光中子發(fā)射器是上述的光中子發(fā)射器。
[0030]本發(fā)明可以提高核素識(shí)別的準(zhǔn)確度，以及提供實(shí)用的、用于核素識(shí)別的光中子發(fā)射器、方法及系統(tǒng)，尤其是提高了識(shí)別諸如233U，235U和239Pu的易裂變核素的準(zhǔn)確度，以及提供了實(shí)用的、識(shí)別諸如233U，235U和239Pu的易裂變核素的光中子發(fā)射器、方法和系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0031]圖1是根據(jù)本發(fā)明的核素識(shí)別方法的原理圖；
[0032]圖2是235U和238U的中子彈性散射曲線；
[0033]圖3是根據(jù)本發(fā)明的核素識(shí)別系統(tǒng)的示意圖；
[0034]圖4是當(dāng)235U和238U分別被檢測(cè)時(shí)的時(shí)間飛行譜圖；
[0035]圖5是根據(jù)本發(fā)明的光中子轉(zhuǎn)換靶的示意圖；以及
[0036]圖6是根據(jù)本發(fā)明的光中子轉(zhuǎn)換靶的時(shí)間-能量分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0038]如圖1至4所示，根據(jù)本發(fā)明的核素識(shí)別系統(tǒng)包括:光中子發(fā)射器10、光中子探測(cè)器20、光中子飛行時(shí)間計(jì)時(shí)器以及數(shù)據(jù)處理單元。光中子發(fā)射器用于在預(yù)定時(shí)刻發(fā)射預(yù)定能量范圍的光中子，光中子探測(cè)器用于接收光中子發(fā)射器發(fā)射的光中子以獲得各個(gè)時(shí)刻接收的光中子量，光中子飛行時(shí)間計(jì)時(shí)器用于記錄光中子發(fā)射器發(fā)射的光中子從發(fā)射到被光中子探測(cè)器20接收的飛行時(shí)間，數(shù)據(jù)處理單元用于根據(jù)每一時(shí)刻光中子探測(cè)器20接收到的光中子的數(shù)量以及飛行時(shí)間，形成依飛行時(shí)間排列各個(gè)所述光中子數(shù)量的光中子數(shù)量譜(參見圖4)。核素識(shí)別系統(tǒng)還可以包括比較確定單元，用于將被檢查物體放置在光中子發(fā)射器與光中子探測(cè)器之間時(shí)獲得的光中子數(shù)量譜中、特定飛行時(shí)間范圍的光中子數(shù)量與預(yù)定值進(jìn)行比較，確定物體所含的核素。根據(jù)本發(fā)明的核素識(shí)別系統(tǒng)可以用來識(shí)別諸如233u，235U和239Pu的易裂變核素。
[0039]所述比較確定單元可以通過將放置物體時(shí)的獲得的光中子數(shù)量譜與沒有放置物體時(shí)獲得的光中子數(shù)量譜進(jìn)行比較，確定放置物體時(shí)的光中子數(shù)量譜中特定飛行時(shí)間范圍的光中子數(shù)量是否低于預(yù)定值。此外，也可以采用其它方式確定預(yù)定值，例如根據(jù)理論數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的核素識(shí)別系統(tǒng)的工作原理如下:
[0041]1、中子共振
[0042]任何實(shí)物粒子都具有波粒二象性，中子自然也不例外。對(duì)于一個(gè)靶核(例如這里的235U和238U)而言，當(dāng)中子能量不是很高的時(shí)候，波動(dòng)性是其主要特性。由于核力具有短程和強(qiáng)力的特點(diǎn)，中子在進(jìn)入靶核前后將具有很大的動(dòng)能差異，反應(yīng)在波動(dòng)性上就是波長變化很大(前大后小)。一般而言，在核邊界處發(fā)生了波長的巨大變化，必然導(dǎo)致中子進(jìn)入核內(nèi)的概率嚴(yán)重下降，表現(xiàn)為中子散射截面不大。但是，當(dāng)中子的動(dòng)能處在某些特殊值的時(shí)候，核內(nèi)的中子波函數(shù)在核邊界處的相位是π /2，此時(shí)核內(nèi)中子波函數(shù)的幅值將和核外中子波函數(shù)的幅值相同，表現(xiàn)為中子的散射截面達(dá)到局部極大一這就是共振現(xiàn)象。
[0043]由前面的敘述可以看出，共振是入射中子能量達(dá)到某些特定值時(shí)，與原子核內(nèi)眾核子共同作用之后形成的。因此共振發(fā)生時(shí)的能量就與靶核是誰非常相關(guān)。簡而言之，共振能量是與靶核核素完全相關(guān)的。如果我們能夠知道某個(gè)核素的共振散射能量位置，就可以分析出這個(gè)核素是誰。圖2給出了 235U和238U的中子彈性散射曲線。可以看到，在0.28eV，1.13eV, 2eV等處存在235U的共振散射，而在6.67eV, 20.9eV等處存在238U的共振散射。
[0044]為了能夠通過共振散射來分析235U和238U,就需要中子的能量范圍滿足圖2中的要求，如0.1eV到IkeV。利用這樣的中子來穿透被檢測(cè)的材料，分析透射中子的能量譜，就可以通過共振峰的位置來分辨核素了。但眾所周知，直接測(cè)量中子的能量是很難的，對(duì)于0.1eV到IkeV范圍的中子，可以使用時(shí)間飛行技術(shù)(TOF)來分析其能量。
[0045]2、時(shí)間飛行技術(shù)(TOF)
[0046]如果中子的出發(fā)時(shí)刻是已知的，那么就可以利用中子的飛行時(shí)間來計(jì)算中子的能量。圖3給了一個(gè)原理示意圖。圖中的中子源10是一個(gè)脈沖源，它于同一個(gè)時(shí)刻(如“中子出發(fā)時(shí)刻”)發(fā)出了若干中子，例如圖中的中子1、2、3，由于速度的不同，這三個(gè)中子飛到探測(cè)器20時(shí)所用的時(shí)間也是不同的，在圖3中，它們分別于tl、t2和t3時(shí)刻到達(dá)探測(cè)器20。由于中子源10與探測(cè)器20的距離(源探距離)是確定的L，因此根據(jù)tl?t3和L就可以計(jì)算出中子的速度，進(jìn)而計(jì)算它的能量。如果在中子的飛行路徑上增加了被檢測(cè)物質(zhì)
30,且中子與該物質(zhì)30中的核素發(fā)生了共振散射，那么處于共振散射能量位置