一种电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法及系统

1.本发明属于参数优化技术领域，涉及一种电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法及系统。


背景技术：

2.中子物理是核物理、核能源、核技术的基础，性能优越的中子源是开展相关研究工作的前提。目前中子源主要有以下三种：放射性同位素中子源、裂变反应堆中子源、加速器白光中子源。其中电子加速器驱动的白光中子源是利用高能电子轰击高原子序数的金属靶，通过韧致辐射过程产生高能γ射线，部分γ射线进一步和靶原子核作用，发生(γ,n)光致核反应产生所需要的中子。
3.这类中子源不使用时可以关闭，可控性和安全性高；中子源各个方向均可以获得高质量的中子，可以在中子源的不同方向上同时开展测量实验；可以通过调节加速器功率调整中子产额，满足不同试验需求；产生的中子质量高：能谱范围宽，注量率高。广泛应用于核数据测量、中子辐射效应、中子成像、核素成分分析和探测器标定等多个领域。
4.靶的材料、结构及几何尺寸等参数对中子源的性能都有至关重要的影响，靶的设计也是中子源设计过程中的核心问题。
5.目前靶的几何参数设计方式主要可以分为以下两种：
6.第一种，依靠过往设计经验或者相关经验公式进行设计。这种方式需要大量实验数据作为支撑，不够灵活，普适性差，不同的系统结构会带来较大误差，很难应用于不同能量范围的电子加速器以及不同的场景。
7.第二种，利用模拟软件如geant4、mcnpx、fluka等得到中子产额随某单一参数变化而变化的趋势，依次分别确定各个几何参数。这种方式极大地节省了试验成本，对于不同的系统以及不同的应用场景可以通过更改程序去得到更贴合的结果，但这种方式未能同时考虑不同参数同时作用的影响。
8.而对于靶材料，大多数靶仅仅采用单一材料，如钨、钽、铅等，这些材料的(γ,n)反应截面大，相同的情况下能产生更多的中子。由于光致核反应是一种阈值反应，只有能量大于某一阈值时反应才能发生，这就导致有大量的较低能量的γ粒子未能充分利用，且这些未能利用的γ粒子会造成干扰，影响中子源的性能。
9.无论是靶结构的设计，靶材料的选择还是靶参数的选取，传统的方式都不能同时兼顾这些因素的影响，最大程度发挥电子加速器性能，中子源的中子产额仍有很大提升空间。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法及系统，该系统及方法能够有效提高中子源的中子产额。
11.为达到上述目的，本发明所述的电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法包
括：
12.确定待优化的参数；
13.在电子-中子转换靶模型中，以待优化参数为变量，以中子源的中子产额最大化为优化目标，采用遗传算法对待优化参数进行优化，得到优化后的电子加速器中子源靶的结构参数。
14.还包括：
15.建立电子-中子转换靶模型；
16.确定探测器的类型；
17.选取pb球壳作为γ屏蔽层；
18.确定发生的物理过程。
19.所述建立电子-中子转换靶模型的具体过程为：
20.根据电子加速器出射电子的能量、出射位置、出射角度及粒子数，建立电子加速器模型；
21.根据初级靶及次级靶的几何参数，基于电子加速器模型，建立电子-中子转换靶模型，其中，设定转换靶的几何结构为圆柱体。
22.所述待优化参数包括但不限于靶的几何位置、初级靶的半径及厚度、次级靶的半径及厚度和屏蔽层厚度。
23.以中子产额最大化为优化目标的适应度函数为：
[0024][0025]
其中，为目标能量中子的通量，为目标能量γ粒子的通量，为其他能量中子通量，为其他能量γ粒子的通量，t为不同靶层结构轴向厚度的集合，r为不同靶层结构径向厚度的集合，x为靶位置角度等空间参数集合，y为入射粒子信息的集合，z为探测器与屏蔽层相关参数集合，a+b+c+d＝1，a、b、c及d分别为四个单目标函数的权重因子。
[0026]
所述物理过程包括但不限于电子与物质发生的反应、光子与物质发生的反应以及中子与物质发生的反应。
[0027]
探测器类型为球形探测器，其中，通过所述球形探测器获取不同角度上的离子信息。
[0028]
本发明所述的电子加速器中子源靶结构参数优化设计系统包括：
[0029]
第一确定模块，用于确定待优化的参数；
[0030]
优化模块，用于在电子-中子转换靶模型中，以待优化参数为变量，采用遗传算法对待优化参数进行优化，得到优化后的电子加速器中子源靶的结构参数。
[0031]
还包括：
[0032]
第二确定模块，用于确定探测器的类型；
[0033]
选取模块，用于选取pb球壳作为γ屏蔽层；
[0034]
第三确定模块，用于确定发生的物理过程；
[0035]
建立模块，用于建立电子-中子转换靶模型。
[0036]
本发明具有以下有益效果：
[0037]
本发明所述的电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法及系统在具体操作时，
在电子-中子转换靶模型中，以待优化参数为变量，以中子源的中子产额最大化为优化目标，采用遗传算法对待优化参数进行优化，得到优化后的电子加速器中子源靶的结构参数，基于该结构参数得到的中子源靶，有效提高中子源的中子产额，操作简单、方便，实用性极强。
附图说明
[0038]
图1为转换靶的结构图；
[0039]
图2为探测器的结构图；
[0040]
图3为本发明中探测器与转换靶的位置图；
[0041]
图4为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0042]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0043]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0044]
实施例一
[0045]
参考图1至图4，本发明所述的电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法包括以下步骤：
[0046]
1)在基于蒙特卡洛方法的模拟软件中，以geant4为例，输入电子加速器出射电子的能量、出射位置、出射角度及粒子数，建立电子加速器模型，以400mev单能电子为例。
[0047]
2)输入初级靶及次级靶的几何参数，建立电子-中子转换靶模型，其中，转换靶的几何结构为圆柱体，其中，通过对比球靶、圆柱体靶、圆锥体靶及长方体靶，根据中子产额多少，选取圆柱体，如图1所示，三个圆柱体同轴分布且下底面重合，其中，最内层为初级靶，中间为次级靶，最外层为真空靶，真空靶的几何中心和电子出射位置，即电子加速器位距离固定，通过更改真空靶的参数，控制初级次级靶到电子加速器之间的距离以及在探测器中的相对位置。
[0048]
初级靶的材料选取w材料(在w、ta、pb等高原子序数金属中进行选择)，次级靶材料选取be材料。
[0049]
3)探测器选取球形探测器，并且按照角度划分为40个球环，如图2所示，以获取不同角度上的粒子信息。
[0050]
4)选取pb球壳作为γ屏蔽层，可以在不显著影响中子产额的前提下，大幅减少γ
本底噪声影响。
[0051]
5)定义物理清单，明确发生的物理过程，建立物理模型，其中，包括但不限于：
[0052]
电子与物质发生的反应：弹性散射、电离激发、韧致辐射、电子对湮没及电子核反应；
[0053]
光子与物质发生的反应：光电效应、康普顿效应、电子对效应及光致核反应；
[0054]
中子与物质发生的反应：弹性散射、非弹性散射、辐射俘获、核反应及核裂变反应。
[0055]
以geant4为例，选取ftfp_bert物理列表，包含上述物理过程与截面数据库。
[0056]
6)利用matlab软件，对geant4输出的探测器得到的各种粒子的信息进行统计，得到中子产额、中子能谱、γ产额及γ能谱信息。
[0057]
7)确定待优化的参数，提取参数集，具体参数包括但不限于：不同靶层空间几何参数、入射粒子参数、探测器相关参数及屏蔽层参数。
[0058]
8)设定优化目标为尽可能多的获取所需参数的中子及γ粒子的同时尽可能减少其他能量的中子及γ粒子的影响，例如，建立以中子产额最大为目标的适应度函数，其中，
[0059][0060]
其中，f
fitness
(t,r,x,y,z)为适应度函数，为目标能量中子的通量，为目标能量γ粒子的通量，为其他能量中子通量，为其他能量γ粒子的通量，t为不同靶层结构轴向厚度的集合，r为不同靶层结构径向厚度的集合，x为靶位置角度等空间参数集合，y为入射粒子信息的集合，例如，入射角度和入射能量；z为探测器与屏蔽层相关参数集合，例如，探测角度。a+b+c+d＝1，a、b、c及d分别为四个单目标函数的权重因子，代表每个目标的重要性。
[0061]
9)遗传算法参数初始化；
[0062]
输入遗传算法的相关参数，包括但不限于：迭代次数、个体数、变异率及交叉率。将靶的几何位置、初级靶的半径及厚度、次级靶的半径及厚度和屏蔽层厚度作为待优化参数，设置边界条件。
[0063]
10)利用二进制随机编码方式，对初代个体的待优化参数进行编码。
[0064]
11)对于遗传算法中种群里的每个个体调用geant4软件，通过步骤1)至步骤7)得到对应个体的适应度函数，并计算各个个体的适应度值。
[0065]
12)根据适应度值对各个个体进行排序，利用随机遍历抽样方法选择确定遗传到下一代个体的染色体。
[0066]
13)对下一代染色体群体执行交叉变异操作，得到新一代种群；
[0067]
14)判断是否满足终止条件，当满足终止条件，则进行解码，输出优化后的参数，否则，重复步骤10)至步骤12)。
[0068]
本发明所述的电子加速器中子源靶结构参数优化设计系统包括：
[0069]
第二确定模块，用于确定探测器的类型；
[0070]
选取模块，用于选取pb球壳作为γ屏蔽层；
[0071]
第三确定模块，用于确定发生的物理过程；
[0072]
建立模块，用于建立电子-中子转换靶模型；
[0073]
第一确定模块，用于确定待优化的参数；
[0074]
优化模块，用于在电子-中子转换靶模型中，以待优化参数为变量，采用遗传算法对待优化参数进行优化，得到优化后的电子加速器中子源靶的结构参数。
[0075]
需要说明的是，本发明具有以下特点：
[0076]
相对于传统的单一结构靶，本发明采用复合结构靶，初级靶通过入射电子和物质发生韧致辐射产生γ粒子，并利用高能γ粒子与物质发生光致核反应产生中子；次级靶利用初级靶无法利用的较低能量的γ粒子发生光致核反应生成中子，进一步提升中子产额，提高电子加速器利用效率，提升中子源性能。
[0077]
优化时，针对多个目标，不同于传统靶结构优化过程中仅仅考虑提升中子产额这一目标，本发明通过调整靶与屏蔽体的参数，在尽可能多的获取所需参数的中子与γ粒子的同时尽可能减少其他能量的中子和γ粒子的影响，在不影响原本能提供的实验所需要的粒子的前提下，减少不需要的粒子的影响，提升中子源的性能。
[0078]
优化过程同时考虑多个参数，即靶的几何结构与参数，屏蔽层的几何参数，电子加速器的参数等，对中子源性能的影响。传统优化过程往往采用控制变量法，通过分别确定单一因素对结果的影响趋势分别确定靶的参数，但当结构参数较多时(使用复合靶)，各个参数往往会相互影响，传统方法计算困难，且计算量大，甚至不再适用。而本发明可以同时考虑全部参数对优化结果的影响，数学模型简单，便于建模与理解。
[0079]
本发明的适用范围广，灵活度高，可以根据不同试验需求(不同实验需要不同能量的中子和γ粒子)，灵活调整适应度函数，使得中子源可以产生最适合实验的中子。
[0080]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法，其特征在于，包括：确定待优化的参数；在电子-中子转换靶模型中，以待优化参数为变量，以中子源的中子产额最大化为优化目标，采用遗传算法对待优化参数进行优化，得到优化后的电子加速器中子源靶的结构参数。2.根据权利要求1所述电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法，其特征在于，还包括：建立电子-中子转换靶模型；确定探测器的类型；选取pb球壳作为γ屏蔽层；确定发生的物理过程。3.根据权利要求1所述电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法，其特征在于，所述建立电子-中子转换靶模型的具体过程为：根据电子加速器出射电子的能量、出射位置、出射角度及粒子数，建立电子加速器模型；根据初级靶及次级靶的几何参数，基于电子加速器模型，建立电子-中子转换靶模型，其中，设定转换靶的几何结构为圆柱体。4.根据权利要求1所述电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法，其特征在于，所述待优化参数包括但不限于靶的几何位置、初级靶的半径及厚度、次级靶的半径及厚度和屏蔽层厚度。5.根据权利要求1所述电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法，其特征在于，以中子产额最大化为优化目标的适应度函数为：其中，为目标能量中子的通量，为目标能量γ粒子的通量，为其他能量中子通量，为其他能量γ粒子的通量，t为不同靶层结构轴向厚度的集合，r为不同靶层结构径向厚度的集合，x为靶位置角度等空间参数集合，y为入射粒子信息的集合，z为探测器与屏蔽层相关参数集合，a+b+c+d＝1，a、b、c及d分别为四个单目标函数的权重因子。6.根据权利要求1所述电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法，其特征在于，所述物理过程包括但不限于电子与物质发生的反应、光子与物质发生的反应以及中子与物质发生的反应。7.根据权利要求1所述电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法，其特征在于，探测器类型为球形探测器，其中，通过所述球形探测器获取不同角度上的离子信息。8.一种电子加速器中子源靶结构参数优化设计系统，其特征在于，包括：第一确定模块，用于确定待优化的参数；优化模块，用于在电子-中子转换靶模型中，以待优化参数为变量，采用遗传算法对待优化参数进行优化，得到优化后的电子加速器中子源靶的结构参数。9.根据权利要求8所述电子加速器中子源靶结构参数优化设计系统，其特征在于，还包括：
第二确定模块，用于确定探测器的类型；选取模块，用于选取pb球壳作为γ屏蔽层；第三确定模块，用于确定发生的物理过程；建立模块，用于建立电子-中子转换靶模型。

技术总结
本发明公开了一种电子加速器中子源靶结构参数优化设计方法及系统，包括：确定待优化的参数；在电子-中子转换靶模型中，以待优化参数为变量，以中子源的中子产额最大化为优化目标，采用遗传算法对待优化参数进行优化，得到优化后的电子加速器中子源靶的结构参数，该系统及方法能够有效提高中子源的中子产额。统及方法能够有效提高中子源的中子产额。统及方法能够有效提高中子源的中子产额。


技术研发人员：胡华四 冯乐源 胡光 燕奕宏 孙伟强
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/9