I-127对高粒度LiI(Eu) Bonner球谱仪响应矩阵的影响

《Radiation Measurements》：The effects of I-127 on a high-granularity LiI(Eu) Bonner Sphere Spectrometer response matrix

中子能谱测量需通过谱 unfolding 还原初始能量分布，本研究基于 ENDF/B-VIII.0 数据库和 MCNP6.2 模拟，开发了具有更高能量分区精细度（10 bins/decade）和同位素统计准确性的 LiI(Eu) 响应矩阵，通过 105 个离散对数能量等距点的建模（1e-9~2.512 MeV），将最大相对误差控制在 1.0% 以下，并验证了 127I 同位素对晶体结构和谱响应的影响。

　　本研究聚焦于使用Bonner球谱仪（BSS）测量中子能量谱的过程中，如何通过改进中子响应矩阵来提升谱展开的准确性。中子能量谱的测量是核物理和辐射防护领域中的重要环节，它能够提供关于中子场特性的关键信息，例如中子的能量分布、通量强度以及可能的健康风险。然而，由于中子的中性电荷特性，其在穿过不同中子慢化配置后到达探测器时，能量会发生变化，这使得直接测量变得困难。因此，需要通过一种称为谱展开的技术，从探测器记录的信号反推出原始中子能量谱。

谱展开的核心在于准确的中子响应矩阵。该矩阵描述了中子在穿过不同慢化配置后，其能量如何被转换为探测器能够记录的信号。响应矩阵的准确性直接影响谱展开的结果，因此，研究者不断尝试改进其建模方法。本文采用了一种新的LiI(Eu)闪烁体响应矩阵，它在能量分箱的精细度、同位素成分的精确描述以及统计不确定性方面都有显著提升。通过使用MCNP6.2进行模拟，研究团队在105个对数等间距的中子能量点上进行了计算，这些能量点从1.000 × 10?? MeV到2.512 × 101 MeV。这种高精度的响应矩阵为后续的谱展开提供了更加可靠的数据支持，其相对误差控制在1.0%以内，与之前的研究相比，平均偏差仅为0.025%，这表明新的响应矩阵具有更高的可靠性。

LiI(Eu)闪烁体是一种广泛应用于中子探测的材料，它能够通过核反应将中子的能量转化为可见光信号。中子与LiI(Eu)闪烁体相互作用时，主要通过吸收中子并引发核反应，产生带电粒子。这些带电粒子在闪烁体晶体中引发电子激发，随后在返回基态的过程中释放出光子，形成可见的荧光信号。由于电子的平均自由路径远大于重带电粒子，LiI(Eu)闪烁体在中子与伽马射线的区分方面表现出色，这使得它成为一种高效的中子探测器。然而，传统的LiI(Eu)响应矩阵在建模过程中往往忽略了一些关键因素，如闪烁体晶体中的碘同位素（12?I）和中子能量的精细分箱，这些因素对响应矩阵的准确性有重要影响。

为了提升响应矩阵的精度，本文采用了多种改进措施。首先，对闪烁体晶体的同位素成分进行了更精确的描述，包括引入12?I的考虑，这在以往的研究中被忽略。其次，通过增加能量分箱的精细度，使响应矩阵能够更细致地反映不同能量范围内的中子响应特性。此外，本文还利用了最新的核数据文件ENDF/B-VIII.0和更新的中子传输代码MCNP6.2，这些工具为模拟提供了更高的计算精度和可靠性。通过这些改进，新的响应矩阵不仅在能量分箱的覆盖范围上有所扩展，而且在统计不确定性方面也得到了优化。

在实验过程中，研究团队通过模拟和实验数据的对比，验证了新响应矩阵的有效性。通过MCNP6.2进行的模拟结果显示，新响应矩阵在能量分箱的覆盖范围上达到了更高的精度，且在多个关键能量点上的响应值与实验数据的偏差较小。此外，研究团队还发现，12?I在闪烁体晶体中的存在对中子响应矩阵产生了显著影响，尤其是在低能量区域，这种影响更加明显。因此，将12?I纳入闪烁体建模过程，有助于更准确地描述中子与闪烁体之间的相互作用，从而提升响应矩阵的整体精度。

为了确保新响应矩阵的实用性，本文还对不同配置下的响应函数进行了系统分析。通过使用不同的Bonner球尺寸，研究团队能够观察到中子能量在不同慢化配置下的变化趋势。例如，较大的Bonner球能够捕捉更高能量的中子，但同时也可能导致较低能量的中子在聚乙烯中被俘获，而不是被探测器检测到。因此，研究团队在建模过程中对这些因素进行了详细分析，并调整了响应矩阵的参数，以确保其在不同配置下的适用性。

此外，本文还探讨了之前研究中未解释的响应函数差异。通过对多个研究的文献回顾，研究团队发现，只有两篇研究提供了完整的响应函数数据，而其余研究则仅在部分能量点上进行了数据发布。这种数据缺失限制了其他研究者在谱展开过程中对响应矩阵的使用，因此，本文的研究成果为其他研究者提供了更完整的数据支持。通过将新的LiI(Eu)响应矩阵与之前的研究进行对比，研究团队发现，新矩阵在多个关键能量点上的响应值更加精确，且在统计不确定性方面得到了显著改善。

在方法论方面，本文采用了一种系统化的模拟和实验验证流程。首先，构建了与Decker等人研究相似的几何和参数模型，然后对模型进行了调整，以提升能量分箱的精细度和同位素成分的准确性。通过MCNP6.2进行的模拟结果显示，新响应矩阵在多个能量点上的响应值与实验数据的偏差较小，且在统计不确定性方面得到了优化。此外，研究团队还对响应矩阵的计算过程进行了详细分析，确保其在不同配置下的适用性。

在结果分析部分，本文通过图示和表格形式展示了新响应矩阵与传统响应矩阵的对比。图4和图5分别展示了Decker等人在2015年发表的响应矩阵和本文研究生成的新响应矩阵。通过对比可以发现，新响应矩阵在能量分箱的覆盖范围上更加广泛，且在多个关键能量点上的响应值更加精确。表格5则提供了新响应矩阵的数值数据，这些数据可以为其他研究者提供重要的参考。此外，研究团队还对新响应矩阵在不同配置下的表现进行了分析，发现其在统计不确定性方面得到了显著改善。

在结论部分，本文指出，通过引入12?I和提升能量分箱的精细度，新的LiI(Eu)响应矩阵在统计精度和准确性方面都有显著提升。这种改进不仅提高了谱展开的可靠性，还为其他研究者提供了更全面的数据支持。此外，本文还强调了响应矩阵在谱展开中的重要性，并指出，由于中子的中性电荷特性，其能量的测量需要依赖于二次粒子的检测，因此，准确的响应矩阵是实现高精度谱展开的关键。

总的来说，本文的研究成果为中子能量谱的测量提供了更加精确和可靠的工具。通过改进闪烁体晶体的同位素成分描述、增加能量分箱的精细度以及利用最新的核数据和中子传输代码，研究团队成功开发出一种新的LiI(Eu)响应矩阵。这种矩阵不仅在能量分箱的覆盖范围上有所扩展，而且在统计不确定性方面得到了优化，从而提升了谱展开的准确性。此外，本文还对之前研究中未解释的响应函数差异进行了探讨，并指出，新响应矩阵的发布将为其他研究者提供重要的参考。通过这些改进，本文的研究成果为中子能量谱的测量提供了更加全面的数据支持，有助于提升核物理和辐射防护领域的研究水平。