[发明专利]一种基于固态锰池的中子出射率测量装置及测量方法

说明书

本发明提出了一种基于固态锰池的中子出射率测量装置，包括伽马探测器、电子学模块、数据处理模块、具有中空腔体的固态锰池；伽马探测器置于固态锰池中空腔体内用于伽马测量，并依次与锰池外的电子学模块、数据处理模块相连。该固态锰池包括内侧的多层高纯锰活化层、多层聚乙烯慢化层和最外层的高纯镉吸收层，其中活化层由慢化层所包裹。本发明还提出了一种测量方法：将待测中子源置于固态锰池内，待活化达到稳态平衡后将待测中子源移出；伽马探测器置于固态锰池内进行伽马射线计数；数据处理得到中子源出射率。该装置和方法不仅填补了钚同位素热源中子出射率测量和氧化钚氧置换工艺监测的技术空白，还实现了远程测量与监测，确保实验安全可靠。

技术领域

本发明属于中子出射率测量领域，特别涉及一种基于固态锰池的中子出射率测量装置，还涉及一种基于固态锰池的中子出射率测量方法。

背景技术

放射性同位素温差发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG)是一种基于热电转换技术将放射性同位素(热源)衰变产生的热能直接转换为电能的供电装置。目前已广泛应用于人造卫星和空间探测。

在空间应用领域，RTG热源芯块的原材料通常为氧化钚(PuO₂)粉末，其中的钚同位素(²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu、²⁴²Pu等)会自发产生裂变与衰变：自发裂变产生中子，衰变产生的α粒子与¹⁷O、¹⁸O发生(α，n)反应也会产生中子。为了降低中子辐照剂量，通常需要在手套箱中对氧化钚粉末进行氧置换，使氧化钚中的¹⁷O、¹⁸O被大量置换成¹⁶O，以减少(α，n)反应，降低中子出射率，进而减轻中子辐照剂量。

为了实现对氧置换过程的监测，确保氧置换工艺的有效性，需对氧化钚粉末置换前后中子出射率进行测量、对比。目前国际上常见的测量中子出射率的方法有(1)金箔活化法，(2)BONNER球法，(3)裂变计数法，(4)锰浴法。其中金箔活化法适用于加速器、反应堆等中子出射率较大的源；BONNER球法适用于中子出射率较大的点源，需要构造合适的慢化体系，对场地需求较大；裂变计数法适用于Cf源等自发裂变材料，无法对¹⁷O、¹⁸O(α，n)反应产生的中子进行计数；锰浴法是国际通用并推荐的中子源出射强度绝对测量方法，但是该方法需要建造巨大容器盛装含锰溶液，并建造相应的循环流动系统，对成本、场地、安全性、操作都有较高的要求与约束条件。由于氧化钚放射性强，毒性大，对氧化钚粉末的中子出射率测量须满足就近、快速、设备安全可靠的原则。由此可见，上述方法均不适用于氧化钚粉末的中子出射率监测场景。

虽然在国外，美国从上个世纪60年代率先开展了一系列RTG²³⁸Pu同位素热源的氧置换工艺研究；在国内，中国工程物理研究院核物理与化学研究所自2018年也开展了²³⁸Pu同位素热源氧置换工艺研究，但均未见²³⁸Pu同位素热源氧置换工艺有效性检测的相关报道。

为了测量钚同位素热源中子出射率，验证²³⁸Pu同位素热源氧置换工艺的有效性，亟需设计一种用于钚同位素热源中子出射率测量的装置及方法。

发明内容

为达此目的，提出了一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置及测量方法：

一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置，包括伽马探测器、电子学模块、数据处理模块，其特征在于，所述测量装置还包括固态锰池；所述固态锰池为具有中空腔体结构的容器，用于盛放待测中子源；所述伽马探测器用于伽马测量，测量时位于固态锰池中空腔体内；所述伽马探测器依次与电子学模块、数据处理模块相连，所述电子学模块和数据处理模块位于固态锰池外。