王立宗 朱學(xué)彬 楊建倫 張建華 馮璟華 李波均 楊高照

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

235U裂變碎片在PIN探測器中沉積能量的實驗研究

王立宗 朱學(xué)彬 楊建倫 張建華 馮璟華 李波均 楊高照

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

利用中子與235U發(fā)生裂變反應(yīng)的截面在裂變中子能區(qū)基本不變這一特點，可設(shè)計研制裂變靶室探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)中子能量響應(yīng)較平坦，在脈沖中子總數(shù)測量中有廣闊的應(yīng)用前景。利用K-400加速器穩(wěn)態(tài)DT中子源，實驗標(biāo)定了235U裂變碎片在PIN探測器中的平均沉積能量，并與理論計算結(jié)果進行了比較。裂變靶室系統(tǒng)探測效率可通過數(shù)值計算準(zhǔn)確給出，與平均沉積能量實驗測量值相結(jié)合，可得到準(zhǔn)確的中子靈敏度數(shù)據(jù)，進而獲得裂變靶室探測系統(tǒng)中子能量響應(yīng)曲線。

裂變碎片，裂變靶室，PIN探測器，沉積能量

利用中子與235U發(fā)生裂變反應(yīng)的截面在裂變中子能區(qū)基本不變這一特點，可設(shè)計研制裂變靶室探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)中子能量響應(yīng)較平坦[1-3]，在脈沖中子總數(shù)測量中有廣闊的應(yīng)用前景。對裂變靶室探測系統(tǒng)中子能量響應(yīng)的研究需采用理論計算結(jié)合實驗標(biāo)定的方法。

裂變靶室系統(tǒng)的中子靈敏度與裂變碎片在探測器中的沉積能量等因素有關(guān)[4]。235U裂變碎片在PIN探測器中的平均沉積能量可利用加速器穩(wěn)態(tài)中子源進行實驗研究，利用多道譜儀記錄PIN探測器中的裂變碎片能譜，分析計算裂變碎片在探測器靈敏層中的平均沉積能量，并與數(shù)值計算的探測效率相結(jié)合，可以獲得裂變靶室探測系統(tǒng)的中子靈敏度能量響應(yīng)。

1 實驗原理和方法

加速器DT中子源產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)中子經(jīng)過前端中子準(zhǔn)直器后，照射在真空靶室內(nèi)的235U裂變靶上發(fā)生裂變反應(yīng)，飛出235U裂變靶的裂變碎片在PIN探測器靈敏體積內(nèi)電離損失能量，產(chǎn)生電子-空穴對并被收集，輸出電荷信號。信號通過前置放大器、主放大器后進入多道分析器并被記錄。

根據(jù)測出的裂變碎片能譜由多道能量刻度結(jié)果，計算平均沉積能量

式中，Edep為裂變碎片在PIN探測器靈敏層內(nèi)的平均沉積能量，MeV；Ni為多道分析器第i道的計數(shù)；Ei為第i道對應(yīng)的碎片能量，MeV。

2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由中子準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)、裂變靶室探測系統(tǒng)及多道記錄系統(tǒng)組成。

2.1 中子準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)

裂變靶室前設(shè)計方形中子準(zhǔn)直器，內(nèi)徑?35mm，材料為鐵，長度10 cm。

中子屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計基于MCNP程序?qū)α炎儼惺姨綔y器處散射本底水平的模擬計算結(jié)果，在散射本底貢獻較大的方向設(shè)計使用更多的屏蔽材料。中子屏蔽系統(tǒng)與裂變靶室主體緊密配合，將裂變靶室系統(tǒng)包圍，外層材料為含硼聚乙烯，內(nèi)層材料為鉛。計算結(jié)果表明，探測器處信號與本底粒子的貢獻在10:1以上。在裂變靶室實驗標(biāo)定中，由于裂變碎片能量較高，達(dá)到幾十MeV，在記錄的多道譜中與散射本底粒子可明顯區(qū)分，因此屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計可滿足實驗測量要求。

2.2 中子裂變靶室

裂變靶和探測器都位于真空中子裂變靶室內(nèi)，支管里探測器靈敏面到裂變靶中心距離為150 mm。235U裂變靶在入射中子作用下產(chǎn)生裂變反應(yīng)，每次裂變的兩個裂變碎片向相反的方向運動，可假設(shè)各向同性分布。飛出裂變靶的裂變碎片在PIN探測器靈敏體積內(nèi)電離損失能量，同時產(chǎn)生電子-空穴對被收集并輸出脈沖電流信號，由傳輸電纜傳輸?shù)接涗浵到y(tǒng)進行記錄。

235U裂變靶，材料為U3O8，活性區(qū)直徑為?20mm，厚度為340 μg·cm-2，靶片用兩根垂直交叉的金絲固定。裂變靶室實驗標(biāo)定示意圖見圖1。

圖1 裂變靶室實驗標(biāo)定示意圖Fig.1 Experimental calibration sketch of fission target chamber.

2.3 多道記錄系統(tǒng)

多道譜儀記錄系統(tǒng)包括前置放大器、主放大器、多道分析器以及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 實驗研究

3.1 PIN死層厚度測量

中國工程物理研究院電子工程研究所研制的PIN電流型半導(dǎo)體探測器作為裂變碎片探測器，實驗用PIN靈敏直徑為?30mm，靈敏層厚度為(300±15) μm，前死層厚度小于1 μm。PIN探測器的前死層厚度對裂變碎片的沉積能量有影響，裂變碎片平均沉積能量隨PIN死層厚度變化的計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 碎片沉積能量隨死層厚度變化關(guān)系Fig.2 Relation between average deposit energy and dead-layer thickness.

實驗前測量了PIN探測器的前死層厚度，死層的測量原理如圖3所示。利用226Ra源發(fā)射的幾種能量α粒子以不同的入射角從探測器表面進入探測器，通過記錄不同的能量損失而得到。實驗利用α粒子垂直入射及以60°角入射到PIN探測器情況下，多道系統(tǒng)記錄的峰位道數(shù)差獲得探測器前死層厚度。直徑?30 mm PIN探測器死層厚度測量結(jié)果見表1。

圖3 PIN前死層測量原理圖Fig.3 Measurement principle sketch of PIN dead-layer thickness.

3.2 多道能量刻度

實驗前需要對多道譜儀系統(tǒng)進行能量刻度，系統(tǒng)保持標(biāo)定時的狀態(tài)參數(shù)，利用226Ra源產(chǎn)生的四種能量α粒子，能量分別為4.7845 MeV、5.4897MeV、6.0026 MeV和7.6871 MeV，對多道譜儀進行刻度，建立道數(shù)與對應(yīng)能量的關(guān)系。圖4給出了多道譜儀系統(tǒng)的能量刻度結(jié)果，可以看出系統(tǒng)在刻度能區(qū)有較好的線性。

設(shè)多道分析器峰位道數(shù)i與對應(yīng)能量Ei的關(guān)系如下：式中，i為多道分析器的道數(shù)；Ei為第i道對應(yīng)的能量，MeV；G為每道對應(yīng)的能量間隔，MeV；E0為0道所對應(yīng)的能量，MeV。

通過線性擬合獲得能量Ei與對應(yīng)道數(shù)i的關(guān)系如下：

圖4 多道系統(tǒng)能量刻度結(jié)果(a) 226Ra源α粒子多道譜，(b) 能量線性刻度結(jié)果Fig.4 Energy calibration of multi-channel analyzer system.(a) Measured alpha spectrum from 226Ra source, (b) Linear calibration of energy

表1 PIN死層厚度測量結(jié)果Table 1 Experimental data of PIN dead-layer thickness.

3.3 實驗布局

實驗布局見圖5。準(zhǔn)直器和靶室主體通過激光對心，確保裂變靶位于準(zhǔn)直后的中子輻射通道上。

圖5 實驗系統(tǒng)布局Fig.5 Experimental measurement layout.

3.4 裂變碎片能譜測量

多道系統(tǒng)能量刻度后，安裝235U裂變靶和PIN探測器，完成中子準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的安裝，對靶室系統(tǒng)抽真空，靶室內(nèi)部為動態(tài)真空，實驗測量期間靶室內(nèi)部真空度保持好于10-2Pa水平。

實驗系統(tǒng)各部分工作正常后，運行加速器，開始記錄裂變碎片能譜。由于受加速器中子源強所限，探測器記錄的裂變碎片計數(shù)率較低，實驗采用長時間分段記錄裂變碎片譜相加的方式進行測量，實驗總計測量時間為19 h，分別獲得了裂變碎片譜和本底粒子譜(圖6)。

將圖6中實測裂變碎片譜及本底粒子譜中電子學(xué)噪聲貢獻扣除，然后兩個能譜相減，根據(jù)多道系統(tǒng)能量刻度結(jié)果，獲得裂變碎片能譜(圖7)。

圖6 實驗測量的裂變碎片譜及本底譜(a) 裂變碎片譜，(b) 本底粒子譜Fig.6 Fission fragment spectrum and background spectrum measured by PIN detector. (a) Measured fission fragment spectrum, (b) Background particle spectrum

圖7 處理后的裂變碎片能譜Fig.7 Experimental results of fission fragment kinetic energy spectrum after background is subtracted.

4 測量結(jié)果與比較

4.1 裂變碎片平均沉積能量實驗結(jié)果

多道系統(tǒng)記錄的裂變碎片能譜經(jīng)處理可得到平均沉積能量。把式(2)代入式(1)得：

定義：

則：

數(shù)據(jù)處理時，在整個多道譜中截取裂變碎片能譜部分，求出i后，代入式(6)即可求出相應(yīng)的裂變碎片平均沉積能量。計算獲得裂變碎片平均沉積能量為47.05 MeV。

4.2 裂變碎片能譜及平均沉積能量計算

利用MC抽樣方法結(jié)合帶電粒子輸運程序TRIM計算上述裂變靶室結(jié)構(gòu)條件下，探測器記錄的裂變碎片能譜如圖8所示。

圖8 裂變碎片能譜計算結(jié)果Fig.8 Calculated kinetic energy spectrum of fission fragment.

文獻[5]中提出了一種計算裂變碎片平均沉積能量的方法：

式中，ρs為裂變靶面密度，mg·cm-2；d 為PIN探測器死層厚度，μm；A為復(fù)合核質(zhì)量，z2/A1/3一般取1370。

實驗條件下靶面密度340 μg·cm-2，PIN死層測量結(jié)果為0.34 μm。平均沉積能量計算結(jié)果為67.61MeV。

4.3 實驗與計算結(jié)果比較

由于加速器中子源強較低，探測器記錄的裂變碎片計數(shù)率較低，采用單粒子計譜方法實驗測量裂變碎片沉積能量所需時間較長，因此實驗僅標(biāo)定了一種質(zhì)量厚度235U裂變靶條件下碎片平均沉積能量。表2列出了上述裂變靶室結(jié)構(gòu)條件下，裂變碎片平均沉積能量實驗與計算結(jié)果的比較。

表2 實驗與計算結(jié)果比較Table 2 Comparison between experimental and theoretical results.

裂變碎片平均沉積能量實驗結(jié)果與理論計算相比低約30%，存在差異的原因主要由于裂變碎片在PIN探測器靈敏層中的電離損失密度大，存在“脈沖幅度虧損”現(xiàn)象的影響。另外還包括靶厚測量誤差、靶厚不均勻性、PIN死層厚度測量誤差、死層厚度不均勻性、多道分析系統(tǒng)在高能區(qū)的非線性等因素帶來的影響。

由于裂變靶室系統(tǒng)可通過數(shù)值計算給出準(zhǔn)確的探測效率，與平均沉積能量實驗標(biāo)定值相結(jié)合，可得到準(zhǔn)確的中子靈敏度。裂變靶室中子能響可通過程序計算，在特定能量點由實驗結(jié)果校正，獲得系統(tǒng)中子能響曲線(圖9)。

圖9 裂變靶室中子能響曲線Fig.9 Neutron energy response curve of fission target chamber.

5 結(jié)語

利用K-400加速器穩(wěn)態(tài)DT中子源，通過單粒子計數(shù)的方法實驗測量了裂變靶室系統(tǒng)235U裂變碎片在PIN探測器中的平均沉積能量，并與理論計算結(jié)果進行了比較。實測結(jié)果與計算結(jié)果相比低約30%，存在差異的原因在于“脈沖幅度虧損”現(xiàn)象的影響以及靶厚、PIN死層厚度測量誤差、不均勻性、多道分析系統(tǒng)在高能區(qū)的非線性等因素的影響。

裂變靶室系統(tǒng)探測效率可通過數(shù)值計算準(zhǔn)確給出，與平均沉積能量實驗測量值相結(jié)合，可得到準(zhǔn)確的中子靈敏度。裂變靶室中子能響曲線可通過理論計算，在特定能量點由平均沉積能量實驗結(jié)果校正獲得，處理結(jié)果可為裂變靶室結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論和實驗依據(jù)。

1 歐陽曉平, 李真富, 王群書, 等. 狹縫式高靈敏裂變中子探測系統(tǒng)[J]. 物理學(xué)報, 2005, 54(10): 4643-4647 OUYANG Xiaoping, LI Zhenfu, WANG Qunshu, et al. A high sensitive fission neutron detector system with a lead slot collimator[J]. Acta Physica Sinica, 2005, 54(10): 4643-4647

2 張小東, 張顯鵬, 李宏云, 等. 狹縫式裂變探測系統(tǒng)的中子靈敏度解析計算方法[J]. 強激光與粒子束, 2011, 23(2): 559-562 ZHANG Xiaodong, ZHANG Xianpeng, LI Hongyun, et al. Analytical calculation of neutron sensitivity of fission detector system with slot collimator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(2): 559-562

3 馬彥良, 歐陽曉平, 王群書, 等. 狹縫式脈沖裂變中子靶室對γ的抑制能力[J]. 核技術(shù), 2005, 28(8): 617-620 MA Yanliang, OUYANG Xiaoping, WANG Qunshu, et al. A study of γ suppression ability for a slot-collimated PIN fission chamber[J]. Nuclear Techniques, 2005, 28(8): 617-620

4 歐陽曉平. 低強度脈沖裂變中子探測技術(shù)研究[D]. 博士學(xué)位論文, 復(fù)旦大學(xué), 2002 OUYANG Xiaoping. Studies on the detection of pulsed ission neutrons from low-intensity radiation sources[D]. PhD Thesis, Fudan University, 2002

5 Brown W K, Seeger P A, Silbert M G. Neutron flux determination in time-of-flight cross-section measurements using underground nuclear explosions. LA-4095, UC-34, Physics TID-4500

CLCTL816.3

Experimental research of235U fission fragment deposit energy in PIN detector

WANG Lizong ZHU Xuebin YANG Jianlun ZHANG Jianhua FENG Jinghua LI Bojun YANG Gaozhao
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background:Because235U fission cross-section with neutrons remains almost constant in the fission neutron energy region, the neutron-induced fission fragments detection system with flat neutron energy response will be widely used in pulsed fission neutron yield measurement.Purpose:The neutron-induced fission target chamber detection system consisting of235U target and PIN detector is designed and investigated experimentally.Methods:The fission fragment energy spectrum and average energy deposited in the PIN detector are calculated by Monte Carlo simulation coupling with TRIM2000. Average deposit energy of235U fission fragment in PIN detector is measured by recording fragment energy spectrum at K-400 accelerator neutron source.ResultsThe experimental results are compared with theoretical calculation. The calculated average deposited energy is in fact over-estimated because of pulse height defect of fission fragments in PIN detector. With the calculated neutron detecting efficiency and the calibrated average effective deposited energy available, the neutron sensitivity can be determined, and neutron energy response curve of fission target chamber detection system can be obtained.Conclusion:The present results can furnish theoretical and experimental indication for design of fission target chamber detection system.

Fission fragment, Fission target chamber, PIN detector, Deposit energy

TL816.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110403

王立宗，男，1980年出生，2004年于中國工程物理研究院獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域為粒子探測技術(shù)

2014-07-04，

2014-09-12