PGAI技术分析准确性影响机制及高效信息分析方法的研究

In recent years, Prompt Gamma Activation Imaging (PGAI) technique become a frontier research hotspot in nuclear analysis field due to the strategic importance in energy technique, weapon research and other fields. For an ideal PGAI model, there are some problems including coarse analytical accuracy, requirement of long measuring time and high neutron flux, which are caused by the certain volume in an irradiated sample and restrict the development of PGAI severely. In this research, to tackle these problems, a series of samples containing three different parameters including volume, neutron capture cross-section and neutron scattering cross-section will be studied. The Montel Carlo methods and experimental procedure will be used to study the volume effects based on the physical mechanism of reactions between the neutron and materials. The research is to obtain the physical mechanism of the volume effects, which affects the spatial and elemental analytical accuracy in PGAI. The correction methods will also be studied to correct the effects. In addition, to decrease the neutron flux and measuring time, the scintillator detectors with large size and new analytical approach for full prompt gamma spectrum will be used. Then the non-linear response between the mass of elements and spectra, which are caused by the neutron self-shielding and scattering, also need be studied and obtain an efficient approach for nuclear information analysis. In this research, with studying the theory mechanism, physical model and data analytical approach, the PGAI technique and application fields will be developed and expanded.

瞬发伽马射线活化成像技术（简称：PGAI）在能源技术、武器研发等方面具有的重要战略意义，近年来成为了核分析领域的一大前沿研究热点。由于被测样品具有一定体积， PGAI理想化模型存在元素含量分析准确度差、测量时间长、中子通量高等问题，严重制约了PGAI技术的发展。针对上述问题，本项目从中子与物质相互作用的物理机制出发，通过对构建的具有体积、中子俘获截面、中子散射截面三个维度梯度的系列化典型样品的蒙卡计算及实验研究，揭示并建立大块样品体效应对PGAI空间分辨能力及元素分析准确性影响的物理机制及修正方法。同时，克服由中子自屏及散射效应引起的元素含量与响应能谱间非线性关系，建立有用核信息的高效提取方法，实现瞬发伽马能谱的全谱分析，实现大尺寸闪烁体探测器的利用，从而有效减少测量时间，降低中子通量要求。该项目的实施将为PGAI技术的发展及应用领域的拓展提供原理机制、物理模型以及数据分析方法等理论支撑。

瞬发伽马射线活化成像（PGAI）技术能源技术、武器研发等方面具有的重要战略意义，近年来成为了核分析领域的一大前沿研究热点，然而元素含量分析准确度差、测量时间长、中子通量高等问题，严重制约了PGAI技术的发展。本项目针对大块样品体效应影响PGAI 分析的空间分辨水平、元素识别能力、元素定量准确度的物理机制进行了研究，并探索了一种伽马能谱全谱分析方法，从而减少测量时间和中子通量的需求。主要开展了以下工作：（1）基于一枚Cf-252中子源和一套HPGe探测器，搭建了一套测量平台，进行了基准实验测量并与蒙特卡罗模拟进行了对比分析；（2）利用测量平台对大块样品进行了测量，分析了样品内部中子场分布对测量结果准确度的影响机制并建立了相应的修正模型；（3）基于一套DT中子发生器搭建了PGAI测量平台，并对板状材料的元素分布进行了测量分析；（4）利用BGO探测器对样品进行伽马能谱采集，探索了一种基于权窗最小二乘法的伽马能谱全谱分析方法。通过这些研究，揭示了PGAI技术中，样品体效应造成的中子场分布不均匀进而影响测量效果的作用原理，给出了相应的修正模型，同时探索了新型的伽马能谱全谱分析方法，为后续的应用研究提供了必要的实验和理论基础。本项目实施期间以第一作者和通讯作者共发表SCI论文10篇；授权发明专利2项；共培养4名研究生；在国际学术会议做报告2次，在国内学术会议做报告2次。