周 密 魏 彪 楊 帆 馮 鵬 譙 梁

1（重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室 重慶400044）2（重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院 重慶 400054）

基于252Cf源驅(qū)動噪聲分析法的鈾部件裂變中子時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)模擬研究

周 密1,2魏 彪1楊 帆1馮 鵬1譙 梁1

1（重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室 重慶400044）2（重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院 重慶 400054）

依據(jù)中子源驅(qū)動噪聲分析法原理，針對鈾材料或鈾部件的質(zhì)量屬性測量問題，采用蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬方法，模擬研究了幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同的球形金屬鈾部件的質(zhì)量測量，獲得了與鈾部件質(zhì)量測量相對應(yīng)的時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)分布。研究結(jié)果表明，中子源注入鈾部件后所構(gòu)成的核信息系統(tǒng)，可根據(jù)源與探測器間的中子時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)分布獲得鈾部件的質(zhì)量等特性。通過對半徑4.67 cm、質(zhì)量8.00 kg的球形鈾部件樣品的模擬研究與分析，獲得源-探測器之間的時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)，基此，模擬研究了幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同的球形鈾部件，實現(xiàn)了對鈾部件質(zhì)量屬性的測量。

源驅(qū)動噪聲分析法，鈾部件，中子信號，Monte Carlo模擬，時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)

鈾材料或鈾部件是核武器最重要的組成之一，其質(zhì)量大小及形狀等基本屬性，不僅直接攸關(guān)核武器的性能，而且是核軍控核查認(rèn)證的基礎(chǔ)[1–4]。鈾材料質(zhì)量屬性的測量包括實驗測量研究和計算機蒙特卡羅模擬(Monte Carlo，MC)研究。美國能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory) Mihalczo等[5–10]采用中子源驅(qū)動時間關(guān)聯(lián)符合測量法進(jìn)行鈾材料或部件質(zhì)量屬性的測量，獲得了飛速發(fā)展。此方法的驅(qū)動外源需要選擇定時中子源，如252Cf自發(fā)裂變中子源[11–13]或定時D-T中子源[14]，基于此，還研制成了核材料識別系統(tǒng)(Nuclear material identification system, NMIS)，且已成為國際核軍控核查領(lǐng)域的研究熱點之一。

然而，由于核軍控核查的特殊性，國外該領(lǐng)域有關(guān)研究工作采取了技術(shù)封鎖的策略，更由于核材料使用的敏感性及強放射性輻射的危害性等因素，致使對核材料識別的實際研究較為困難。為此，本文對252Cf源驅(qū)動時間關(guān)聯(lián)符合法測量鈾材料質(zhì)量屬性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬研究了252Cf源注入被測的鈾部件后測量系統(tǒng)內(nèi)的中子輸運模擬過程、探測器對粒子的響應(yīng)過程以及探測器間中子時間關(guān)聯(lián)符合響應(yīng)計數(shù)分布等，研究了幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同的球形鈾部件的中子時間關(guān)聯(lián)信號，以此達(dá)到測量鈾材料質(zhì)量屬性的目的。

1 原理及方法

鈾部件質(zhì)量屬性的測量是依據(jù)252Cf源驅(qū)動噪聲分析法獲得測量鈾部件的標(biāo)簽參數(shù)，借以進(jìn)行幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同的球形鈾部件的分析與識別，其原理如圖1所示。可見，測量系統(tǒng)由兩路組成。第一路是252Cf源電離室，為測量系統(tǒng)輸入驅(qū)動中子噪聲源，并作為一個探測器，提供與252Cf電離室時間相關(guān)的脈沖時間序列信號。第二路探測次臨界系統(tǒng)的泄漏中子，作為測量系統(tǒng)的第二路輸出信號。此外，該測量系統(tǒng)可擴(kuò)展為單路輸入、三路或更多路輸出隨機信號的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)多路信號的同步采集。第二路探測器信號的采集，由第一路252Cf源信號觸發(fā)或由記錄系統(tǒng)內(nèi)部控制，統(tǒng)計結(jié)果與觸發(fā)方式無關(guān)。源信號與探測器信號相互關(guān)聯(lián)，最后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)分析，獲得源與探測器間的中子時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)分布12()Cτ。它反映了源探測信號1()Xt與探測器探測信號2()Xt之間的時間關(guān)聯(lián)符合特性，其定義為：

其中，T為觀測時間，τ為延遲時間。

為定量研究鈾部件的質(zhì)量屬性，定義時間關(guān)聯(lián)符合積分計數(shù)為：

其中，τ1為積分時間起點，τ2為積分時間終點。選擇合適的積分時間區(qū)間，R12(τ1,τ2)能夠比較靈敏地反映出幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同鈾部件的質(zhì)量屬性。

圖1 252Cf源驅(qū)動噪聲分析法測量原理圖Fig.1 Principle of 252Cf source-driven noise analysis measurement.

圖2 質(zhì)量8.00 kg鈾部件的中子時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)模擬計算結(jié)果Fig.2 Simulation results of time-correlated pairs neutron of uranium component of 8.00 kg.

2 計算結(jié)果與討論

模擬研究計算的鈾部件富集度為93.15%，它由235U、238U、234U及236U四種核素組成，對應(yīng)的質(zhì)量分別為93.15%、5.64%、0.97%及0.24%。模擬計算時，假設(shè)探測器探測能量大于0.1 MeV的所有中子信息，探測效率為100%。在模擬過程中，為了提高計算效率，不考慮地面、墻壁等周圍環(huán)境對測量結(jié)果的影響。圖2給出了半徑4.67 cm、質(zhì)量8.00 kg的球形鈾部件全能區(qū)(0–20 MeV)的12()Cτ隨時間分布的曲線(見圖2a)和全能區(qū)中裂變中子與散射中子的12()Cτ隨時間分布的曲線(見圖2b)。

由圖2 (b)可見，全能區(qū)中包括裂變中子和散射中子，且散射中子的比例或份額還很大，這不利于對鈾部件質(zhì)量的分辨。為此，必須去除散射中子以提高質(zhì)量分辨的效果。由于裂變中子與散射中子的能量不盡相同，所以其產(chǎn)生時間域也有所不同[15]。

針對半徑4.67 cm、質(zhì)量8.00 kg的球形鈾部件，計算出了不同能區(qū)裂變中子信號與散射中子信號的能譜對比圖，如圖3所示。

由圖3可見，在0–20 MeV能區(qū)中，散射中子的份額比較大。當(dāng)能量下閾值增大，散射中子的份額逐漸減少，說明低能量的散射中子占的比重大。為了盡可能地減小散射中子的影響，模擬研究計算時，選擇在1.5–20 MeV能區(qū)的裂變中子信號進(jìn)行鈾部件的質(zhì)量屬性的能譜分析?；耍鶕?jù)中子時間關(guān)聯(lián)符合法對三個球形鈾部件開展模擬研究。

三個球形鈾部件分別為(1) 半徑5.63 cm、質(zhì)量14.02 kg；(2) 半徑5.884 cm、質(zhì)量16.01 kg；(3) 半徑6.13 cm、質(zhì)量18.10 kg。通過模擬計算，得到了形狀相同、質(zhì)量不同的三個鈾部件在1.5–20 MeV能區(qū)裂變信號的12()Cτ隨時間分布的曲線，如圖4所示?？梢?，由12()Cτ隨時間分布的曲線，可以實現(xiàn)對鈾部件質(zhì)量的分辨。

根據(jù)時間關(guān)聯(lián)符合積分計數(shù)R12(τ1,τ2)的定義，選擇合適的積分時間區(qū)間，R12(τ1,τ2)能夠比較靈敏地反映出幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同鈾部件的質(zhì)量屬性。分別計算裂變中子與散射中子的時間關(guān)聯(lián)符合積分計數(shù)，定義鈾部件積分計數(shù)的比值作為選擇合適的積分時間區(qū)間的依據(jù)，用R表示為：

其中，R12,fission為裂變中子的時間關(guān)聯(lián)符合積分計數(shù)，R12,scatter為散射中子的時間關(guān)聯(lián)符合積分計數(shù)。

源與探測器間中子的時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)分布，有的是通過裂變鏈相關(guān)聯(lián)的，而散射中子實際上毫無關(guān)系。通過對積分計數(shù)比值R的計算可以為R12(τ1,τ2)選擇合適的積分時間區(qū)間。對樣本半徑4.67 cm、質(zhì)量8.00 kg的球形鈾部件，在不同的能區(qū)，考慮了不同的積分時間區(qū)間，得到鈾部件積分計數(shù)的比值如表1所示。由表1可見，在能量大于1.0 MeV、時間大于20 ns后，裂變中子明顯大于散射中子。由此，積分時間起點1τ取為20 ns，積分時間終點2τ取為100 ns，可以得到R12(20,100)的模擬統(tǒng)計結(jié)果，如圖5所示。

圖3 裂變中子和散射中子的時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)模擬計算結(jié)果Fig.3 Simulation results of the time-correlated pairs neutron from fission and scattering.

圖4 不同質(zhì)量鈾部件裂變中子的時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)的模擬計算結(jié)果Fig.4 Simulation results of the time-correlated pairs fission neutrons from uranium components of different masses.

表1 裂變中子和散射中子的時間關(guān)聯(lián)符合積分計數(shù)比值模擬計算結(jié)果Table1 Simulation ratios of time-correlated integral pairsneutrons from fission and scattered neutrons.

圖5 不同質(zhì)量鈾部件裂變中子的時間關(guān)聯(lián)符合積分計數(shù)模擬計算結(jié)果Fig.5 Simulation results of the time-correlated integral pairs fission neutrons from uranium components of different masses.

3 結(jié)語

依據(jù)中子源驅(qū)動噪聲分析法原理，針對鈾材料或鈾部件的質(zhì)量屬性測量問題，采用Monte Carlo方法，模擬研究了幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同的球形金屬鈾部件的質(zhì)量測量，獲得了與鈾部件質(zhì)量測量相對應(yīng)的時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)分布。研究結(jié)果表明，中子源注入鈾部件后由此構(gòu)成的核信息系統(tǒng)，根據(jù)源與探測器間的中子時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)分布，可以分析與識別鈾部件的質(zhì)量等特性。通過對樣本半徑4.67 cm、質(zhì)量8.00 kg的球形鈾部件的模擬研究與分析，獲得了源-探測器之間的時間關(guān)聯(lián)符合計數(shù)，基此，模擬研究了幾何形狀相同、富集度相同而質(zhì)量不同的球形鈾部件，實現(xiàn)了對鈾部件質(zhì)量屬性的測量。

1 杜祥琓. 核軍備控制的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1996

DU Xiangwan. An elementary of nuclear arms control technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1996

2 劉成安, 伍鈞. 核軍備控制核查技術(shù)概論[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2007

LIU Chengan, WU Jun. An introduction of verification technology of nuclear arms control[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2007

3 Reilly D, Ensslin N, Smith H J. Passive nondestructive assay of nuclear of nuclear materials[C]. Nuclear Regulatory Commission, Washington DC, 1991

4 Mihalczo J T, Pare V K. Nuclear weapons identification system[C]. Presented at the proceedings of the 1996 IEEE nuclear science symposium, Anaheim, CA, USA, 1996

5 Mihalczo J T, King W T, Blakeman E D. Subcriticality measurements for coupled uranium metal cylinders using the252Cf-source-driven neutron noise analysis method[J]. Nuclear Science and Engineering, 1987, 95(1): 1–13

6 Chiles M M, Mihalczo J T, Fowler C E. Small, annular, double-contained252Cf fission chamber for source-driven subcriticality measurements[J]. Institute of Electrical and Electronics Engineers Nuclear Science Symposium, Nuclear Science and Engineering, 1993, 40(4): 816–818

7 Mihalczo J T, Valentine T E. Calculational verification and process control applications utilizing the high sensitivity of noise measurement parameters to fissile system configuration[J]. Nuclear Science & Engineering, 1995, 121(2): 286–300

8 Mihalczo J T, Mullens J A, Mattingly J K, et al. Physical description of nuclear materials identification system (NMIS) signatures[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2000, 450(2): 531–555

9 Valentine T E, Mihalczo J T. MCNP-DSP: A neutron and gamma ray Monte Carlo calculation of source-driven noise-measured parameters[J]. Annals of Nuclear Energy, 1996, 23(3): 12–71

10 Marseguerra M, Padovani E, Pozzi S A. Use of the MCNP-POLIMI code for time-correlation safeguards measurements[J]. Progress in Nuclear Energy, 2003, 43(4): 305–311

11 Mihalczo J T, King W T, Blakeman E D.252Cf source-driven neutron noise analysis[C]. Workshop on subciritical reactivity measurements, Albuquerque, New Mexico Conference 8508/05, 1985

12 Mihalczo J T, Blakeman E D, Rogan G E, et al. Dynamic subcriticality measurements using the sup252Cf-sourcedriven noise analysis method[J]. Nuclear Science & Engineering, 1990, 104(4): 314–338

13 李建勝, 張翼, 金宇, 等.252Cf快裂變室研制[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2001, 21(4): 264–267

LI Jiansheng, ZHANG Yi, JIN Yu, et al. Development of252Cf fast fission chamber[J]. Nuclear Electronics & Detection Technlogy, 2001, 21(4): 264–267

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

國家自然科學(xué)基金(61175005)資助

周密，女，1979年出生，2004年于重慶大學(xué)獲碩士學(xué)位，專業(yè)：核信號計算機仿真研究

譙梁，E-mail: qiaoycwh@126.com

2012-12-11，

2013-04-03