一种混合辐射场的中子伽马比双向调节装置及方法与流程

本发明涉及辐射场调控，具体涉及一种混合辐射场的中子伽马比双向调节装置及方法。

背景技术：

1、在加速器白光中子源装置中，高能质子（如100 mev以上）轰击厚重金属靶（如钨靶），通过散裂反应和蒸发过程产生包含宽能谱中子和强瞬发伽马射线的混合辐射场。白光中子源的中子能谱覆盖从热中子到与入射质子能量相当的高能中子连续能区，而伴随伽马射线主要来源于靶材料核反应退激、中子非弹性散射及中子俘获等过程。在核辐射探测实验、电子器件单粒子效应与位移损伤效应实验、生物辐照实验等应用场景中，往往需要根据具体实验需求，对混合辐射场中的n/γ比进行定量调节，在某些实验中需要尽可能纯净的中子场以研究中子效应，而在另一些实验中则需要大幅提高伽马成分以模拟特定辐照环境。

2、现有辐射场调节手段多为单一功能装置，如采用含硼聚乙烯或碳化硼对中子进行吸收，或采用铅板对伽马射线进行屏蔽。但这类装置功能单一，无法在同一套设备上实现n/γ比的双向调节。中国专利申请“一种中子通量调节器”（zl202222518213.6）仅针对中子通量本身进行调节，未涉及伽马成分的协同调控。中国专利申请“用于中子俘获治疗的射束整形体”（cn108079443a）采用了pb或ni反射体，但其目标是中子束方向整形与屏蔽，并未给出双向调节n/γ比的设计方案。中国专利申请“一种基于加速器的中子伽马混合场产生方法及系统”（cn118354508a），中子靶为薄的锂靶，通过7li(p,n)7be反应产生准单能中子，产生的伽马射线本底较弱，该方案采用大原子序数金属材料作为伽马产额增益材料、小原子序数有机材料作为中子产额减益材料，但仅能实现单向的n/γ比降低，无法在同一装置上实现双向调节。

3、因此，亟需一种能够在同一装置上实现n/γ比双向调节的模块化方案，以满足不同实验对混合场成分的差异化需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中辐射场调节装置功能单一、无法在同一装置上灵活实现n/γ比双向大范围调节的问题，提供一种混合辐射场的中子伽马比双向调节装置及方法，从而显著提升实验灵活性和设备复用率。

2、为实现上述目的，一方面，本发明具体实施方式提供了一种混合辐射场的中子伽马比双向调节装置，包括在所述混合辐射场经准直后形成的束流方向上依次设置的若干个滤片组件及中子反射体，所述若干个滤片组件及中子反射体均能够单独进入或移出束流区域；通过所述滤片组件及中子反射体在束流区域内的不同组合方式，能够形成降低伽马本底并增强中子注量的复合结构，或降低中子注量并增强伽马注量的复合结构。

3、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节装置，其中，所述中子反射体呈圆筒形结构，束流从圆筒中穿过，中子反射体将散射出束流方向的中子进行慢化并部分反射回束流方向。

4、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节装置，其中，所述若干个滤片组件及中子反射体包括fe滤片组件、含硼聚乙烯滤片组件、碳化硼滤片组件、高纯铋滤片组件及石墨中子反射体。

5、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节装置，其中，所述降低伽马本底并增强中子注量的复合结构包括高纯铋滤片组件和石墨中子反射体的组合，所述石墨中子反射体位于高纯铋滤片组件之后，束流先经过所述高纯铋滤片组件衰减伽马成分，然后穿过圆筒形的石墨中子反射体，石墨中子反射体将高纯铋滤片组件散射出束流方向的中子进行慢化并部分反射回束流方向。

6、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节装置，其中，所述降低中子注量并增强伽马注量的复合结构包括沿束流方向依次设置的fe滤片组件、含硼聚乙烯滤片组件、碳化硼滤片组件，束流先经过所述fe滤片组件将高能中子降能并激发次生伽马，所述含硼聚乙烯滤片组件将降能后的中子以及原束流中的中能中子进一步热化，并对热中子进行俘获同时释放伽马射线，所述碳化硼滤片组件对残余低能中子进行拦截。

7、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节装置，其中，所述fe滤片组件、含硼聚乙烯滤片组件、碳化硼滤片组件、高纯铋滤片组件均采用多层薄片堆叠结构，通过增减各滤片组件的堆叠层数，独立调节各滤片组件的有效厚度。

8、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节装置，其中，所述若干个滤片组件及中子反射体均设置在独立的移动平台上，能够分别沿垂直于束流的方向进入或移出束流区域。

9、更进一步，所述移动平台两端设有限位开关和位置传感器。

10、更进一步，所述若干个滤片组件及中子反射体的承载框架及移动平台基体采用铝合金材质。

11、另一方面，本发明具体实施方式提供了一种采用上述装置的混合辐射场的中子伽马比双向调节方法，包括：

12、1）通过仿真及实验测量，建立所述滤片组件的厚度与n/γ比调节倍数的对应关系；

13、2）根据实验需求将不同的滤片组件及中子反射体在束流区域内进行组合，形成降低伽马本底并增强中子注量的复合结构，或降低中子注量并增强伽马注量的复合结构；

14、3）通过分别改变各滤片组件的厚度，实现所需n/γ比的调节。

15、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节方法，步骤1）中，对比无滤片组件及中子反射体条件下的基准混合场n/γ比值，分别标定滤片组件及中子反射体的n/γ比提高因子和n/γ比降低因子，建立各滤片组件的厚度与n/γ比调节倍数的对应关系。

16、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节方法，步骤2）中，形成所述降低伽马本底并增强中子注量的复合结构的方法是将高纯铋滤片组件和石墨中子反射体设置在束流区域内，束流先经过所述高纯铋滤片组件衰减伽马成分，然后穿过圆筒形的石墨中子反射体，石墨中子反射体将高纯铋滤片组件散射出束流方向的中子进行慢化并部分反射回束流方向；步骤3）中，通过改变高纯铋滤片组件的厚度和石墨中子反射体的径向厚度及轴向长度，对n/γ比的提升幅度进行定量调节。

17、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节方法，步骤2）中，形成所述降低中子注量并增强伽马注量的复合结构的方法是将fe滤片组件、含硼聚乙烯滤片组件、碳化硼滤片组件设置在束流区域内，束流先经过所述fe滤片组件将高能中子降能并激发次生伽马，所述含硼聚乙烯滤片组件将降能后的中子以及原束流中的中能中子进一步热化，并对热中子进行俘获同时释放伽马射线，所述碳化硼滤片组件对残余低能中子进行拦截；步骤3）中，通过调整fe滤片组件厚度、含硼聚乙烯层滤片组件的厚度及硼含量、碳化硼滤片组件的厚度，对n/γ比的降低幅度进行定量调节。

18、进一步，在一些具体实施方式中，如上所述的混合辐射场的中子伽马比双向调节方法，步骤3）中，通过分别改变各滤片组件的堆叠层数来改变各滤片组件的厚度。

19、本发明的有益效果如下：

20、（1）本发明可在单一设备上分别实现“提高n/γ比”和“降低n/γ比”两种工作模式的无缝切换，解决了现有辐射场调节装置功能单一、仅能实现单向调控的难题，显著提升了实验灵活性和设备复用率。

21、（2）本发明采用“bi滤片＋石墨反射体”的复合结构，可在显著压低伽马本底的同时维持轴向中子注量，实现n/γ比的大幅提高。

22、（3）本发明采用“fe＋含硼聚乙烯＋b4c”三层串联滤片结构，通过三层结构的逐级协同作用，可在将中子注量压低至极低水平的同时显著增强出射伽马注量，实现n/γ比的大幅降低。

23、（4）本发明的fe滤片、含硼聚乙烯滤片、b4c滤片和bi滤片均采用多层薄片堆叠结构，通过增减各滤片组件的堆叠层数，可独立调节各功能层的有效厚度。该设计可在不更换组件的情况下实现n/γ比的多级或连续调节，满足不同实验场景对辐射场成分的差异化精细需求。

24、（5）本发明的所有滤片组件和石墨反射体均采用相同结构的独立横移平台，统一沿束线固定排列，无需复杂的“外围开合系统”与“轴向平移系统”两套独立子系统。模式切换仅涉及各组件简单的“移入/移出”操作，机械结构简化，制造成本降低，控制时序清晰，操作可靠性高，维护方便。

25、（6）本发明提供了一套基于中子飞行时间法和脉冲形状甄别技术的n/γ比定量评估试验方法，可分别测量两种模式下的中子和伽马能谱，精确标定模式a的n/γ比提高因子和模式b的n/γ比降低因子，建立滤片厚度参数与n/γ比调节倍数的对应关系，指导用户根据目标辐射场需求快速选定或优化调节参数。

26、（7）本发明不仅适用于加速器白光中子源（如散裂中子源、白光中子源装置），经参数适配后同样适用于反应堆中子束流线、同位素中子源等各类中子伽马混合辐射场装置，对辐射场的n/γ比具有显著的调节能力，在电子器件辐射效应实验、探测器标定、辐射生物效应研究等领域具有广阔的推广应用前景。