基于252Cf源驱动噪声分析法的铀部件裂变中子时间关联符合计数模拟研究

周 密 魏 彪 杨 帆 冯 鹏 谯 梁

1（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆400044）2（重庆理工大学光电信息学院 重庆 400054）

基于252Cf源驱动噪声分析法的铀部件裂变中子时间关联符合计数模拟研究

周 密1,2魏 彪1杨 帆1冯 鹏1谯 梁1

1（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆400044）2（重庆理工大学光电信息学院 重庆 400054）

依据中子源驱动噪声分析法原理，针对铀材料或铀部件的质量属性测量问题，采用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟方法，模拟研究了几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形金属铀部件的质量测量，获得了与铀部件质量测量相对应的时间关联符合计数分布。研究结果表明，中子源注入铀部件后所构成的核信息系统，可根据源与探测器间的中子时间关联符合计数分布获得铀部件的质量等特性。通过对半径4.67 cm、质量8.00 kg的球形铀部件样品的模拟研究与分析，获得源-探测器之间的时间关联符合计数，基此，模拟研究了几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形铀部件，实现了对铀部件质量属性的测量。

源驱动噪声分析法，铀部件，中子信号，Monte Carlo模拟，时间关联符合计数

铀材料或铀部件是核武器最重要的组成之一，其质量大小及形状等基本属性，不仅直接攸关核武器的性能，而且是核军控核查认证的基础[1–4]。铀材料质量属性的测量包括实验测量研究和计算机蒙特卡罗模拟(Monte Carlo，MC)研究。美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory) Mihalczo等[5–10]采用中子源驱动时间关联符合测量法进行铀材料或部件质量属性的测量，获得了飞速发展。此方法的驱动外源需要选择定时中子源，如252Cf自发裂变中子源[11–13]或定时D-T中子源[14]，基于此，还研制成了核材料识别系统(Nuclear material identification system, NMIS)，且已成为国际核军控核查领域的研究热点之一。

然而，由于核军控核查的特殊性，国外该领域有关研究工作采取了技术封锁的策略，更由于核材料使用的敏感性及强放射性辐射的危害性等因素，致使对核材料识别的实际研究较为困难。为此，本文对252Cf源驱动时间关联符合法测量铀材料质量属性进行了数值模拟研究。模拟研究了252Cf源注入被测的铀部件后测量系统内的中子输运模拟过程、探测器对粒子的响应过程以及探测器间中子时间关联符合响应计数分布等，研究了几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形铀部件的中子时间关联信号，以此达到测量铀材料质量属性的目的。

1 原理及方法

铀部件质量属性的测量是依据252Cf源驱动噪声分析法获得测量铀部件的标签参数，借以进行几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形铀部件的分析与识别，其原理如图1所示。可见，测量系统由两路组成。第一路是252Cf源电离室，为测量系统输入驱动中子噪声源，并作为一个探测器，提供与252Cf电离室时间相关的脉冲时间序列信号。第二路探测次临界系统的泄漏中子，作为测量系统的第二路输出信号。此外，该测量系统可扩展为单路输入、三路或更多路输出随机信号的结构，可实现多路信号的同步采集。第二路探测器信号的采集，由第一路252Cf源信号触发或由记录系统内部控制，统计结果与触发方式无关。源信号与探测器信号相互关联，最后根据采集到的数据分析，获得源与探测器间的中子时间关联符合计数分布12()Cτ。它反映了源探测信号1()Xt与探测器探测信号2()Xt之间的时间关联符合特性，其定义为：

其中，T为观测时间，τ为延迟时间。

为定量研究铀部件的质量属性，定义时间关联符合积分计数为：

其中，τ1为积分时间起点，τ2为积分时间终点。选择合适的积分时间区间，R12(τ1,τ2)能够比较灵敏地反映出几何形状相同、富集度相同而质量不同铀部件的质量属性。

图1 252Cf源驱动噪声分析法测量原理图Fig.1 Principle of 252Cf source-driven noise analysis measurement.

图2 质量8.00 kg铀部件的中子时间关联符合计数模拟计算结果Fig.2 Simulation results of time-correlated pairs neutron of uranium component of 8.00 kg.

2 计算结果与讨论

模拟研究计算的铀部件富集度为93.15%，它由235U、238U、234U及236U四种核素组成，对应的质量分别为93.15%、5.64%、0.97%及0.24%。模拟计算时，假设探测器探测能量大于0.1 MeV的所有中子信息，探测效率为100%。在模拟过程中，为了提高计算效率，不考虑地面、墙壁等周围环境对测量结果的影响。图2给出了半径4.67 cm、质量8.00 kg的球形铀部件全能区(0–20 MeV)的12()Cτ随时间分布的曲线(见图2a)和全能区中裂变中子与散射中子的12()Cτ随时间分布的曲线(见图2b)。

由图2 (b)可见，全能区中包括裂变中子和散射中子，且散射中子的比例或份额还很大，这不利于对铀部件质量的分辨。为此，必须去除散射中子以提高质量分辨的效果。由于裂变中子与散射中子的能量不尽相同，所以其产生时间域也有所不同[15]。

针对半径4.67 cm、质量8.00 kg的球形铀部件，计算出了不同能区裂变中子信号与散射中子信号的能谱对比图，如图3所示。

由图3可见，在0–20 MeV能区中，散射中子的份额比较大。当能量下阈值增大，散射中子的份额逐渐减少，说明低能量的散射中子占的比重大。为了尽可能地减小散射中子的影响，模拟研究计算时，选择在1.5–20 MeV能区的裂变中子信号进行铀部件的质量属性的能谱分析。基此，根据中子时间关联符合法对三个球形铀部件开展模拟研究。

三个球形铀部件分别为(1) 半径5.63 cm、质量14.02 kg；(2) 半径5.884 cm、质量16.01 kg；(3) 半径6.13 cm、质量18.10 kg。通过模拟计算，得到了形状相同、质量不同的三个铀部件在1.5–20 MeV能区裂变信号的12()Cτ随时间分布的曲线，如图4所示。可见，由12()Cτ随时间分布的曲线，可以实现对铀部件质量的分辨。

根据时间关联符合积分计数R12(τ1,τ2)的定义，选择合适的积分时间区间，R12(τ1,τ2)能够比较灵敏地反映出几何形状相同、富集度相同而质量不同铀部件的质量属性。分别计算裂变中子与散射中子的时间关联符合积分计数，定义铀部件积分计数的比值作为选择合适的积分时间区间的依据，用R表示为：

其中，R12,fission为裂变中子的时间关联符合积分计数，R12,scatter为散射中子的时间关联符合积分计数。

源与探测器间中子的时间关联符合计数分布，有的是通过裂变链相关联的，而散射中子实际上毫无关系。通过对积分计数比值R的计算可以为R12(τ1,τ2)选择合适的积分时间区间。对样本半径4.67 cm、质量8.00 kg的球形铀部件，在不同的能区，考虑了不同的积分时间区间，得到铀部件积分计数的比值如表1所示。由表1可见，在能量大于1.0 MeV、时间大于20 ns后，裂变中子明显大于散射中子。由此，积分时间起点1τ取为20 ns，积分时间终点2τ取为100 ns，可以得到R12(20,100)的模拟统计结果，如图5所示。

图3 裂变中子和散射中子的时间关联符合计数模拟计算结果Fig.3 Simulation results of the time-correlated pairs neutron from fission and scattering.

图4 不同质量铀部件裂变中子的时间关联符合计数的模拟计算结果Fig.4 Simulation results of the time-correlated pairs fission neutrons from uranium components of different masses.

表1 裂变中子和散射中子的时间关联符合积分计数比值模拟计算结果Table1 Simulation ratios of time-correlated integral pairsneutrons from fission and scattered neutrons.

图5 不同质量铀部件裂变中子的时间关联符合积分计数模拟计算结果Fig.5 Simulation results of the time-correlated integral pairs fission neutrons from uranium components of different masses.

3 结语

依据中子源驱动噪声分析法原理，针对铀材料或铀部件的质量属性测量问题，采用Monte Carlo方法，模拟研究了几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形金属铀部件的质量测量，获得了与铀部件质量测量相对应的时间关联符合计数分布。研究结果表明，中子源注入铀部件后由此构成的核信息系统，根据源与探测器间的中子时间关联符合计数分布，可以分析与识别铀部件的质量等特性。通过对样本半径4.67 cm、质量8.00 kg的球形铀部件的模拟研究与分析，获得了源-探测器之间的时间关联符合计数，基此，模拟研究了几何形状相同、富集度相同而质量不同的球形铀部件，实现了对铀部件质量属性的测量。

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14 Mihalczo J T, Mattingly J K, Valentine T E, et al. Source options for nuclear weapons identification system[R]. ORNL/TM-13025, 1995

15 Mihalczo J T. The use of252Cf as a randomly pulsed neutron source for prompt neutron decay measurements[J]. Nuclear Science and Engineering, 1970, 41(1): 296–300

CLCTL277

Simulation study of neutrons time-correlated coincidence count for uranium components based on252Cf source-driven noise analysis method

ZHOU Mi1,2WEI Biao1YANG Fan1FENG Peng1QIAO Liang1

1(Key Laboratory of Opto-Electronic Technology and System,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400044,China)
2(School of Optoelectronic Information,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Background:For the intensity of high-enriched uranium’s neutrons from fission is weak, the active detection method is commonly adopted. Purpose: The quality attribute of uranium components is analysed. Methods: According to the theory of neutron source-driven noise analysis method and mass measurement problem of uranium material or uranium component, Monte Carlo simulation is used to study the mass measurement of metal uranium sphere components with the same geometry and enrichment and the different masses. The time-correlation coincidence count distributions to different uranium components are obtained. Results: The source-driven time correlation coincidence measurements can provide quantities, time-dependent coincidence distributions between two detectors, which can be related to the mass of uranium components. Conclusions: By studying on the sample (radius: 4.67 cm, mass: 8 kg), it realized mass measurement to metal uranium sphere components with different masses.

Source-driven noise analysis method, Uranium component, Neutron signal, Monte Carlo simulation, Time-correlation coincidence count

TL277

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.060202

国家自然科学基金(61175005)资助

周密，女，1979年出生，2004年于重庆大学获硕士学位，专业：核信号计算机仿真研究

谯梁，E-mail: qiaoycwh@126.com

2012-12-11，

2013-04-03