陳 亮， 劉金良， 劉林月， 張顯鵬， 張忠兵， 歐陽曉平， 阮金陸， 金 鵬， 何世熠

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024; 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實驗室， 西安 710024)

裂變靶室中子探測系統(tǒng)利用半導(dǎo)體探測器收集中子與裂變材料作用產(chǎn)生的裂變碎片實現(xiàn)中子探測[1]，對裂變主能區(qū)中子能量響應(yīng)較為平坦，同時具有較高的n/γ分辨能力、較快的時間響應(yīng)，且中子靈敏度在較寬的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，在脈沖裂變中子總數(shù)測量中具有非常重要的應(yīng)用價值[2]。傳統(tǒng)的裂變靶室采用Si-PIN探測器從側(cè)面收集裂變碎片，受Si-PIN探測器直照響應(yīng)及耐輻照能力的限制，裂變靶室系統(tǒng)在中子靈敏度標(biāo)定和實際應(yīng)用中面臨信噪比低、屏蔽難度大、器件易受輻照損傷等一系列問題。在裂變靶室系統(tǒng)中子靈敏度標(biāo)定實驗中，為避免Si-PIN探測器被高強(qiáng)度的中子直接照射，不得不采用體積龐大的準(zhǔn)直器和屏蔽體，裂變靶與加速器靶頭之間的距離比較遠(yuǎn)，導(dǎo)致測點(diǎn)注量率下降很多。此外，中子與準(zhǔn)直器作用會在束流通道上形成大量的散射中子，這部分散射中子與裂變靶作用形成干擾信號，很難從實驗上準(zhǔn)確扣除，導(dǎo)致裂變靶室系統(tǒng)中子靈敏度標(biāo)定精度難以提高，低靈敏裂變靶室的中子靈敏度精確標(biāo)定問題一直未能得到很好解決[3-4]。

為克服Si-PIN探測器存在的問題，西北核技術(shù)研究所研制了基于寬禁帶半導(dǎo)體探測器SiC的新型裂變靶室中子探測系統(tǒng)[5-7]。與Si器件相比，SiC器件耐高壓、耐輻照、暗電流低。此外，通過控制SiC探測器的靈敏層厚度，可以保證裂變碎片能量全部沉積，并降低器件對中子、γ的直照響應(yīng)。采用SiC探測器的新型裂變靶室不僅大幅度提高了系統(tǒng)的抗輻照能力，而且使系統(tǒng)器件的抗直照干擾能力提高了近一個量級。得益于器件耐輻照能力的提高和直照本底的降低，基于SiC的裂變靶室中子靈敏度標(biāo)定可以在沒有屏蔽體的條件下進(jìn)行，不僅簡化了實驗過程，而且縮短了裂變靶與加速器靶頭之間的距離，使裂變靶室系統(tǒng)的可標(biāo)定下限得到拓展。此外，散射本底干擾可以通過擋影錐的方法準(zhǔn)確測量和扣除，使得中子靈敏度標(biāo)定精度也得到提高。低靈敏裂變靶室系統(tǒng)的中子靈敏度精確標(biāo)定問題在一定程度上得以解決，本文主要對相關(guān)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行研究和討論。

1 標(biāo)定原理和方法

根據(jù)裂變靶室系統(tǒng)的工作原理，裂變靶室系統(tǒng)的中子靈敏度S(En)可表示為

(1)

2 實驗過程

圖1 2×2陣列SiC探測器照片F(xiàn)ig.1 Photograph of the 2×2 array SiC detector

高壓倍加器的實驗布局如圖2所示。裂變靶與SiC探測器放置在同一個真空腔室內(nèi)。裂變靶處在加速器靶頭0°方向，垂直于束流，與加速器靶頭之間的距離約為50 cm。SiC探測器在與束流成45°方向收集裂變碎片，探測器中心與裂變靶中心的距離為10 cm。SiC探測器信號經(jīng)前放、主放后，由多道記錄。中子產(chǎn)額通過155°伴隨α金硅面壘探測器在線監(jiān)測。測點(diǎn)中子注量根據(jù)Φ(En)=KNα-155°/4πL2計算，其中，K=1.251×107；Nα-155°為伴隨α計數(shù)；L為裂變靶與加速器靶頭之間的距離，cm。高壓倍加器采用水冷TiT靶，D+離子直接轟擊TiT靶產(chǎn)生D-T中子。D+離子加速電壓為300 kV，加速器靶頭0°方向輸出的D-T中子平均能量為14.9 MeV。實驗通過擋影錐的方法扣除散射本底，具體過程是：首先在標(biāo)定靶室和加速器靶頭之間放置擋影錐，測量獲得單位注量中子產(chǎn)生的裂片碎片數(shù)目，該結(jié)果主要是環(huán)境散射中子的貢獻(xiàn)；然后去掉擋影錐重新測量，得到的結(jié)果包含了凈信號和散射中子貢獻(xiàn)；最后將兩組數(shù)據(jù)相減，即可獲得系統(tǒng)對D-T中子的絕對探測效率。此外，實驗前利用237Np、243Am和244Cm三個不同能量的α源對SiC探測器的多道測量系統(tǒng)進(jìn)行了能量線性刻度，刻度結(jié)果如圖3所示。

圖2 高壓倍加器實驗布局示意圖Fig.2 Layout of the CPNG experiment

圖3 多道系統(tǒng)線性刻度結(jié)果Fig.3 Linear calibration of the multi-channel analyzer system

利用西安脈沖反應(yīng)堆的水平徑向孔道進(jìn)行實驗測量，實驗照片如圖4所示。中子經(jīng)過厚度為20 cm的含硼聚乙烯和厚度為8 cm的鉛準(zhǔn)直限束后入射到裂變靶片上，保持電子學(xué)系統(tǒng)連接狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置與高壓倍加器實驗條件完全一致。標(biāo)定235U靶時，反應(yīng)堆運(yùn)行功率為100 kW，標(biāo)定238U靶時反應(yīng)堆功率為2 MW。每次實驗，先將反應(yīng)堆功率提升到預(yù)定值，然后打開水平徑向孔道，開始測試，當(dāng)脈沖幅度譜到達(dá)一定計數(shù)后，關(guān)閉水平徑向孔道。

圖4 西安脈沖反應(yīng)堆實驗照片F(xiàn)ig.4 Photograph of the experiment on the Xi’an pulsed reactor

3 實驗結(jié)果分析

圖5為CPNG上實測的典型裂變碎片幅度譜。其中，圖5(a)為235U裂變靶的實測結(jié)果，包含了正常條件下的信號譜以及擋影錐條件下的本底譜，每條譜線的測量時間約為3 h。由于總計數(shù)有限，各道計數(shù)的統(tǒng)計起伏比較大，得到的裂變碎片幅度譜輪廓特征并不明顯。圖5(a)中信號和本底裂變碎片總計數(shù)分別為4 016和1 235，對應(yīng)的伴隨α計數(shù)分別為10 870 773和10 881 217，散射本底約占總信號的1/3?？鄢镜赘蓴_后得到235U-9#裂變靶與SiC探測器組合對14.9 MeV中子的探測效率為3.01×10-7。Nf引入的不確定度小于2%，基本滿足標(biāo)定需求。從圖5(b)可以看出，盡管238U-3#和238U-4#裂變靶的鈾面密度有所不同，分別為0.568 mg·cm-2和0.697 mg·cm-2，但兩片238U裂變靶的幅度譜形差異并不明顯；238U裂變靶與235U裂變靶的實測幅度譜形非常相似。由于238U對中子響應(yīng)存在閾能，環(huán)境散射低能中子與238U裂變靶形成的本底干擾比235U裂變靶明顯減少，擋影錐條件下散射帶來的計數(shù)僅占總信號的約1/10。

(a) 235U target

(b) 238U target

圖5CPNG上實測的裂變碎片幅度譜
Fig.5PulseheightspectraofthefissionfragmentmeasuredontheCPNG

綜合上述實驗結(jié)果，可以計算得到不同鈾裂變靶與SiC探測器組成的裂變靶室系統(tǒng)對14.9 MeV單能中子的響應(yīng)靈敏度，如表1所列。實驗測量中子靈敏度的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為7.5%(k=1)，主要包括散射本底、幅度譜中低能干擾、加速器源等引入的不確定度。裂變靶厚度的增加，雖然能夠提高探測效率和靈敏度，但是等效平均能量隨靶厚度而降低，低能干擾對裂變碎片幅度譜的干擾也會增加，導(dǎo)致中子靈敏度標(biāo)定不確定度增大。為保證測量精度，本文將裂變靶面密度控制在0.8 mg·cm-2以下。

(a) 235U-9# target

(b) 238U target

圖6 西安脈沖反應(yīng)堆上實測的裂變碎片幅度譜Fig.6 Pulse height spectra of the fission fragment measured on the Xi’an pulsed reactor

同時，上述實驗表明，基于SiC裂變靶室系統(tǒng)的中子實驗可以在沒有準(zhǔn)直器和屏蔽體的條件下進(jìn)行，裂變靶位置處的中子強(qiáng)度較有準(zhǔn)直器和屏蔽體的情形提高一個量級以上，低靈敏裂變靶室系統(tǒng)的可標(biāo)定下限提高一個量級以上，同時，散射本底的影響可以通過擋影錐的方法進(jìn)行準(zhǔn)確測量和扣除，使中子靈敏度標(biāo)定結(jié)果的精度顯著提高。

4 結(jié)論

根據(jù)裂變靶室系統(tǒng)工作原理，提出了對中子探測效率與等效平均能量分別進(jìn)行實驗測量，再合成得到中子靈敏度的方法。分別利用高壓倍加器和西安脈沖反應(yīng)堆開展了實驗測量，得到了SiC器件與不同裂變靶組合的14.9 MeV中子靈敏度及其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為7.5%(k=1)，很好地滿足了裂變靶室在脈沖中子測量領(lǐng)域中的應(yīng)用需求。

致謝

感謝中國原子能科學(xué)研究院物理所中子發(fā)生器組陳洪濤等提供的中子束流和實驗保障。

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