1引言

测量中子能谱是粒子能谱学最困难的课题之一。中子能谱的测量方法有反冲核测谱、核反应测谱、多球中子探测器测谱与阈探测器测谱等方法，依据不同能量中子在探测器中产生的信号差异，获得入射中子束的能谱组成信息^【1】。多球中子谱仪^【2】测量中子能谱的方法是目前成熟度最高的方法，但是由于多球谱仪测量时需要将每个慢化球依次搬运到测试点进行测试，测试过程繁琐，且在实时变化的辐射场难以取得较好的测量效果^【3】,因此设计了一款集成式的多球中子谱仪，七路测量通道同时工作，可以实现中子能谱的快速测量。

集成式多球中子谱仪有七路测量通道同时工作，由于聚乙烯材质的慢化体对中子有散射和慢化作用，每个慢化球的计数会受到其他慢化球的影响^【4】（简称球球干扰），本文通过使用蒙特卡罗中子输运程序模拟七路测量通道同时工作与每路测量通道单独工作时的能量响应函数，通过分析比较来研究球球干扰的影响。

2、 集成式多球中子谱仪设计

集成式多球中子谱仪共有七路测量通道，每路通道由³He正比计数器及慢化球组成，每路慢化球尺寸及材质如表1所示。1～7号慢化球交叉分布于仪器中心轴两侧，距中心轴距离分别为11.5cm， 13.25cm， 14.5cm， 13.5cm， 15cm， 17cm， 16cm，所有慢化球球心位于同一平面，如图1所示（左图为示意图，右图为实物图）。仪器主要在均匀辐射场使用，使用时尽可能使测试点中子入射方向与慢化球球心所在平面垂直。

表1  慢化体尺寸及材质

图1  慢化球分布图

3、 能量响应函数模拟

使用基于蒙特卡罗原理的MCNP软件模拟集成式多球中子谱仪的能量响应函数，采用单能中子平行中子束的方式进行照射，平行中子束入射方向与七个慢化球球心所在平面垂直，照射方式如图2所示。模拟的单能中子能量范围为0.001eV～20MeV ，模拟的中子源为圆形面源，源的圆心位于仪器中心轴上，源半径大于圆心到慢化球最远距离，确保所有慢化球均能被平行中子束照射。

图2  慢化球模拟计算模型

在MCNP软件中，能量响应模拟计数卡主要采用F4卡与FM4卡相结合的方式，通过F4卡可以近似计算得到单位中子照射时进入探测器灵敏区的中子数。Fm4卡为计数乘子卡，格式为Fm4（C  m  N），归一化因子C=-a_sV，a_s为平面源面积， V为探测器灵敏区体积；m为反应材料³He的材料号， N为与中子发生反应的微观截面号，中子与³He发生（n，p）反应，反应号为103。这样就可以得到单位注量的单能中子照射时仪器每一路测量通道的注量响应（单位cm²），通过模拟不同能量的单能中子照射即可得到集成式多球中子谱仪的能量响应曲线。

为分析球球干扰对集成式多球中子谱仪能量响应曲线的影响，本文逐个模拟了单路测量通道单独工作时的能量响应曲线，与七路测量通道同时工作时的能量响应曲线，两种测量条件下测试结果的差异由球球干扰导致。为保证结果的严谨性，模拟时除慢化球不同外，所有模拟条件完全相同。两种测试条件下模拟结果如下。

图3  单路测量通道单独工作时的能量响应曲线

图4  七路测量通道工作时的能量响应曲线

4、 球球干扰影响分析

集成式多球中子谱仪七路测量通道同时工作时，每个测量通道除了测量直接入射到本通道的中子外，还会测得经过其余几路慢化球散射后到达本通道的中子，导致测量结果要大于单独工作时的测量值。本文通过分析这两种测试条件下能量响应的比值来评估球球干扰的影响。

在0.001eV～20MeV中子能量范围内，每个数量级范围选取一个能量点计算两种测试条件下能量响应的比值，共选取11个能量点，计算结果见表2。

表2 七路测量通道同时工作与单独工作能量响应之比

通过分析表2测试数据可以发现：

（1）球球干扰确实存在，且随着慢化球尺寸增大，球球干扰影响逐渐减小，6号球、7号球球球干扰影响小于10%，基本可以忽略；

（2）对尺寸较小的慢化球（尤其是1号球和2号球），球球干扰影响随着中子能量的增大而增大。

经过理论分析可能有以下几点原因：

（1）球球干扰主要是其余几路慢化球对中子的散射，导致入射到中子运动方向改变，从而进入到本通道探测器灵敏区域，另一方面多次散射碰撞后中子能量降低，更容易被³He正比计数器探测；

（2）球球干扰对小尺寸慢化球影响较大，且随着入射中子能量增大而增加，主要是由于小尺寸慢化球直径较小，对能量较高的快中子响应很低，而其余几路慢化球（干扰球）尺寸较大，多次散射的中子得到充分慢化接近热中子，从而导致更容易被³He正比计数探测，导致散射中子在测量数据中占比较高，尤其是裸球由于没有慢化体，所测得的快中子基本均为球球干扰散射后的热中子；

（3）球球干扰对大尺寸慢化球影响较小，主要原因为慢化球尺寸较大，球球干扰散射后的中子能量较低被慢化体吸收从而无法被探测器探测；

（4）另外由于几何原因，小尺寸慢化球探测器之间距离要比大尺寸慢化球探测器距离短，也会对球球干扰对小球的影响要大于大球。

5、 结论

本文通过基于蒙特卡罗原理的MCNP软件模拟计算了集成式多球中子谱仪七路测量通道同时工作与每路测量通道单独工作时的能量响应曲线，通过研究比较两种测试条件下的能量响应之比发现球球干扰的影响随着慢化球尺寸增大而减小，对小尺寸慢化球球球干扰随着中子能量增大而增大，并分析了几种可能的原因，为后续集成式多球中子谱仪能量响应函数的修正提供依据。

参考文献：

【1】汲长松.中子探测.中国原子能出版社.ISBN 978-7-5022-6195-5.

【2】Thomas D J，Alevra A V．Bonner sphere spectrometers—a critical review［J］． Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2002，476( 1－2) : 12－20．

【3】雷明，冯晓波，安艳龙等。中子能谱快速测量。辐射防护通讯。2021,41（02）

【4】L黄悦。在线式多球谱仪。核科学技术，2016.