中子和其他辐射探测器毕业论文

双源距碳氧比能谱测井仪的近探器距中子源较近，易受高强度射线影响，从而导致探测器分辨率变低。为了避免中子源发射的中子直接照射探测器，必须在中子源和探测器之间放置一个屏蔽体，用来屏蔽快中子及高能γ射线。可通过实验的方法，确定屏蔽材料和尺寸，但为了节约时间和经费，还可采用蒙特卡罗模拟的方法进行理论计算来确定，模拟计算使用了MCNP-3B程序。

1.屏蔽材料的预选中子与物质的相互作用可分为两类：一类是散射，包括弹性散射和非弹性散射，这是快中子与物质相互作用过程中能量损失的主要形式；另一类是吸收，即中子被原子核吸收后仅产生其他种类的次级粒子，不再产生中子，如辐射俘获等核反应。

中子在较轻介质中主要通过弹性散射损失能量。物质对中子的减速能力ξ与靶核质量MA之间有如下关系：

由式（3-2-2）可以看出，靶核的质量数越小，其减速能力越强。所以常选用含氢物质和原子量小的物质作为快中子的减速剂，如选石墨、硼砂、聚乙烯等。

快中子在重介质中主要通过非弹性散射损失能量。靶核越重，其第一激发能一般越低，也越容易与中子发生非弹性散射。因此在中子屏蔽层中往往掺入重元素或重金属与减速剂组成交替屏蔽材料，其中重元素具有使较高能量中子减速和吸收γ射线双重作用，如选钨（W）、铅（Pb）、铜(Cu)、铁(Fe)。

快中子通过弹性散射和非弹性散射损失能量变为慢中子后，主要的反应过程是辐射俘获。此时应主要考虑热中子的吸收，通常选镉( Cd )作为热中子的吸收剂。由于用较薄的一层镉就能起到较好地吸收热中子的作用，所以没有考虑对它进行模拟计算。

2.物理模型结构模拟计算中模型的剖面如图3-2-7所示。

（1）测井仪器在套管内居中放置，仪器外径为φ89mm，壁厚4mm，模拟为纯铁（Fe），密度为。中子源位于( 0，0，0 )处，均匀地发射各向同性能量为的中子。在仪器内部距中子源垂直向上5cm处开始放置屏蔽体，并使其填充满仪器壳以内空间，屏蔽体材料分别选钨( W，密度为)、铁（Fe，密度为）、铅( Pb，密度为)、铜( Cu，密度为)、石墨( C，密度为)、硼砂(密度为 g/cm3)、聚乙烯( H2，密度为)、锡( Sn，密度为)和钛（Ti，密度 g/cm3）。

（2）模拟套管物质与测井仪器外壳相同，套管外径φ140mm，厚度为7mm。水泥环模拟物质为CaSiO3，密度为，厚度为30mm，外径为200mm。

（3）井内介质为水H2O，密度为。

（4）地层高度为1m，从－20cm至80cm；径高深度为60cm，半径为10～70cm。地层模拟为35%孔隙度的饱和水砂，即65%的石英砂（SiO2，密度为）加上35%的水。

（5）图3-2-7中距中子源垂直向上5～55cm处，每5cm为一段探测区间，探测器形状是一个φ80mm×50mm的圆柱，分别对探测器底面和侧面来的中子数进行记录，能区分为1～14MeV，均分为14道。

3.模拟结果首先对中子源与探测器之间无屏蔽体的情况进行了模拟，计算结果如图3-2-8所示带圆形点的曲线。图3-2-8、图3-2-9中横坐标表示屏蔽体厚度，以中子源垂直向上5cm处为0，图3-2-8的纵坐标是相对于中子源每发射一个中子时，探测区间能接收到能量为1～14MeV中子的几率。即使不做屏蔽处理，由于记录区间的表面积是固定的，随着源距增大，探测器对中子源所张的立体角变小，所记录的中子数就会相对减少。

考虑到单个原子核对中子的减速能力随其质数的增大而减小，物质对中子的阻止本领随其密度的增大而增大，将预选的屏蔽材料分为三组。其中核质量数大且物质密度大的为A组( W，Pb )（图3-2-9a），核质量数中等且物质密度也为中等的为B组（Cu、Fe、Sn、Ti）（图3-2-9b），核质量数小且物质密度也小的为C组(石墨、硼砂、聚乙烯)（图3-2-9c）。这里定义屏蔽率为在中子源与探测器之间放置屏蔽体时，探测器表面中子计数率与无屏蔽体时的中子计数率之比。屏蔽率随屏蔽体厚度的增加下降越快，表明屏蔽效果越好。从图3-2-9a中看出，A组中钨屏蔽效果好，B组中铜的屏蔽效果好，C组中石墨的屏蔽效果好。综合来看，若以屏蔽率等于为标准，三组中不同材料的屏蔽体厚度依次应为：钨厚度约为，铜厚度约为15cm，铁厚度约为，铅厚度约为22cm等。可见在选择屏蔽体材料时，应首选钨，其次为铜和铁。

以上通过计算选出了几种屏蔽效果好的材料为钨、铜、铁，其屏蔽厚度选多少合适，应根据设计仪器时具体情况而定。图3-2-10显示的是φ81mm×50mm探测器侧面来的中子数与底面来的中子数的比值，随屏蔽体厚度变化关系，当侧面来的中子数大于等于底面来的中子数时，认为已达到了理想屏蔽效果。这时，对于钨屏蔽体厚度宜选，可屏蔽掉该处约89%的中子；对于铜屏蔽体厚度宜选，可屏蔽掉约90%中子；对于铁屏蔽体厚度宜选24cm，可屏蔽掉90%的中子。

上述的模拟结果显示，使用钨屏蔽效果最好，设计仪器时不必考虑交替屏蔽。图3-2-8中带黑圆点的曲线，表示钨作为屏蔽体材料时中子到达探测器表面的几率，随屏蔽体厚度变化的关系。当中子源强度为1×108Bq、屏蔽体厚度为时，探测器表面上每秒到达的中子数约为2×105个。图3-2-11给出了钨为屏蔽材料时，探测器表面的折合中子计数率( 1/中子源)、中子能量( MeV )和屏蔽体厚度( cm )间相互关系的三维图。从图中可以看出，随着屏蔽体厚度的增加到达探测器表面的中子中高能中子所占的比例急剧减小。

通过蒙特卡罗模拟计算看出，过去通过室内模型井实验，选择钨棒（φ74～84mm）× （180～240mm）作为碳氧比能谱测井仪器的屏蔽体是正确的。

五、金属杜瓦瓶的设计资料由四川省成都机械研究院刘光华提供。

碳氧比能谱测井仪器的探测器包括晶体、光电倍增管、线性放大器、1～2kV的高压直流电源，一般都放入金属杜瓦瓶中。当电子元器件工作时，电能会转变成热能。设计井下金属杜瓦瓶时，一是要测试、计算瓶内元器件每小时的发热量；二是瓶内温度维持多少度( 50～60℃)；三是在井下工作多长时间( 4～10h )，累积发热量。四是设计金属杜瓦瓶结构：了解井下工作温度( 125～150℃)和工作时间( 4～10h )，确定内外金属管材质，计算内管传导热，计算瓶口隔热物质传进去的热量，计算外管由外面传进去辐射热，计算三部分在工作时间内的累积进热量；五是确定吸热剂的数量及累积吸热量。计算结果：累积发热量＋累积进热量＝累积吸热量。金属杜瓦瓶的设计结束。

1.累积发热量假定瓶内电子元器件为3W。如果在井下连续工作10h的热量=2592cal/h×10h=× 104cal。

2.累积进热量井下温度150℃,瓶内维持在55℃，连续工作10h，从外面进去的热量。经计算：金属杜瓦瓶的内管传导热Q1＝1330cal/h，通过瓶口进去的热量Q2＝144cal/h，从外面传进去的辐射热Q3＝2400cal/h。10h共进去热量＝（Q1＋Q2＋Q3）×10＝×104cal。

3.累积吸热量吸热剂为低温合金，其熔解热＝，密度＝，装低温合金金属管的容积＝П×( )2×50＝1325cm3＝1300cm3。、50cm分别是装低温合金金属管的内径、长度。低温合金重量＝×1300cm3＝9750g。低温合金吸热量＝ cal/g×9750g＝63375cal。

累积发热量26kcal＋累积进热量×104cal＝×104cal，与累积吸热量×104cal，基本平衡。

4.金属杜瓦瓶进行设计计算1）杜瓦瓶内管传导热量Q1的计算

式中F——内管环面积，；L——内管长度，；ΔΤ——井下温度，150℃，瓶内维持温度55℃，温差150℃-55℃=95℃。

λ——不锈钢1Cr18Ni9Ti的导热系数，×104cal/（m?h?℃）。

代入式（3-2-3），经计算Q1＝×103cal/h，10h为×104cal。

2）杜瓦瓶口通过石绵绒塞传进去的热量Q2计算

式中F——石棉绒塞的园面积；L——石棉绒塞长度，；λ——石棉绒的导热系数，95cal/（m?h?℃）；ΔΤ——井下温度，150℃，瓶内维持温度55℃，温差150℃-55℃=95℃。

代入式（3-2-4），经计算Q2＝144cal/h，10h为1440cal。

3）杜瓦瓶外面传进去的辐射热量Q3计算

式中C0——绝对黑体的辐射系数，×103cal/（m2?h?°K4）；F——内筒表面积，＋＝；T1——高温体，150℃换算成绝对温度为423°K；T2——低温体，55℃换算成绝对温度328°K；A1A2——外壁吸收系数，。

代入式（3-2-5），经计算Q3＝×103cal/h，10h为×104cal。

这是因为中子进入人体以后，能破坏人体组织细胞和神经系统。当人体受到的中子辐射达到一定剂量时，人就会在短时间内失去战斗力或者死亡。

中子弹爆炸后产生的冲击波、光辐射都不大，仅为一般核爆炸的十分之一，因而对坦克、火炮、坚固工事等的破坏作用较小。但是，中子像透视身体用的X射线一样，能穿透坦克的钢铁壳体杀伤里面的人员，所以说中子弹主要是用来杀伤人员的一种武器。当然，在离爆炸中心较近的地方，它也能破坏武器装备和建筑物等。

对中子弹这样的新型武器，现在已有了防护和对付它的办法。例如，用厚厚的湿土层和混凝土层就能挡住大多数的中子辐射。如果人员躲避到地下掩蔽洞或地下室，就会更安全一些。

一、红外辐射的产生及其性质红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律 （9-2-1）式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。 二、红外传感器的组成：我们先看看红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统，在此基础上对红外的关键元件进行详细的探讨。其实，红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分工作原理(如图所示): 三、红外传感系统的分类：红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以各类系统中的两个或者多个的组合。四、红外传感器工作原理：（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。