中子透射数字成像用闪烁光纤探测效率的研究

论文摘要

中子透射照相技术（简称中子照相）是一种无损检测技术。中子照相技术中的探测与记录介质,历经了胶片成像、闪烁屏成像和闪烁光纤成像等几个发展过程。特别是,随着光电信息技术及计算机图像处理技术等的飞速发展,数字化的微光成像系统代替了胶片成像,进入到了中子透射数字成像技术的发展阶段。为了获得清晰的中子数字图像,提高中子转换屏（一种中子—光子转换的材料）的探测效率是其途径之一。本文针对闪烁光纤的新型的中子—光子转换技术,通过构造中子源能量、被测试样及光传输介质的闪烁光纤阵列的闪烁光纤探测效率模型,采用蒙特卡罗方法,模拟研究闪烁光纤中子转换屏的探测效率。其研究的主要内容是,针对不同入射中子能量条件下,基于以聚苯乙烯和聚乙烯基甲苯为材料的闪烁光纤,改变可能影响闪烁光纤探测效率的因素或参数,测量闪烁光纤中的能量沉积值,基此研究分析能量沉积值发生变化的原因,探索提高闪烁光纤探测效率的方法。本文采用Geant4蒙特卡罗模拟工具软件,对中子源、被测试样以及闪烁光纤的物理模型进行建模,将中子源能量、被测试样的种类、被测试样的几何厚度以及闪烁光纤的直径、材料和长度作为影响闪烁光纤探测效率的可调参数,研究分析闪烁光纤的探测效率,并对所得模拟结果（测试曲线）进行最小二乘法拟合。在中子入射能量为0.001MeV、0.01MeV、0.1MeV和1MeV条件下,针对聚苯乙烯和聚乙烯基甲苯为材料,闪烁光纤的探测效率是:①随入射中子能量的增大也随之增大;②随中子源到被测试样的距离的增大出现陡增、然后趋于平稳且缓慢下降的趋势;③随被测试样到闪烁光纤的距离的增大而出现快速下降-趋于平稳-缓慢下降的趋势;④随试样的厚度以及被测试样原子序数的增加显著下降。本论文通过中子不同入射能量状态下闪烁光纤探测效率的蒙特卡罗模拟模拟研究,针对以聚苯乙烯为材料的闪烁光纤模型参数和以聚乙烯基甲苯为材料的闪烁光纤模型参数,由此分别获得了影响中子闪烁光纤探测效率的可能因素的物理—数学模型,这对于进一步完善中子透射数字成像技术的中子—光子闪烁材料的性能具有理论指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 中子照相无损检测技术概述
• 1.1.1 中子的发现和中子照相技术
• 1.1.2 中子照相技术的发展现状与趋势
• 1.2 选题依据与研究意义
• 1.3 本论文的研究内容及研究特色
• 1.3.1 本论文的主要研究内容
• 1.3.2 研究特色
• 2 中子透射数字成像技术的基本原理
• 2.1 概述
• 2.1.1 中子的性质
• 2.1.2 中子的产生
• 2.2 中子与物质的相互作用
• 2.2.1 中子弹性散射
• 2.2.2 中子非弹性散射
• 2.2.3 中子的吸收
• 2.3 中子透射数字成像的基本原理和意义
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 中子数字成像的意义
• 3 中子闪烁光纤成像的探测原理
• 3.1 闪烁屏探测原理
• 3.1.1 闪烁屏成像及探测原理
• 3.1.2 影响闪烁屏性能的主要因素
• 3.2 闪烁光纤成像原理
• 3.2.1 闪烁光纤的一般结构和材料
• 3.2.2 影响闪烁光纤性能的主要因素及其传输特性
• 3.2.3 闪烁光纤探测原理及其在中子数子成像方面的优势
• 4 中子与物质相互作用的蒙特卡罗模拟过程研究
• 4.1 蒙特卡罗方法概述
• 4.2 Geant4 模拟工具及其编程思想
• 4.2.1 Geant4 模拟工具概述
• 4.2.2 Geant4 模拟工具及其编程思想
• 4.3 实验研究模型及其模拟测定的参数
• 4.3.1 Geant4 软件研究模型
• 4.3.2 Geant4 软件模拟测定的参数
• 5 中子闪烁光纤探测效率的模拟实验研究
• 5.1 模拟实验的物理模型
• 5.2 模拟实验的结果与分析
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录