何鐵1) 肖軍 安力 陽劍 鄭普

1)(四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所,輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610064)2)(中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,綿陽 621900)3)(中國工程物理研究院,中子物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621900)(2018年3月29日收到;2018年8月5日收到修改稿)

瞬發(fā)裂變中子譜(prompt fission neutron spectrum,PFNS)是用于核實(shí)驗(yàn)診斷過程中十分重要的參數(shù)數(shù)據(jù),傳統(tǒng)的測量主錒系核素(U,Pu)PFNS的技術(shù)手段是采用裂變室,利用裂變碎片標(biāo)識裂變中子,通過中子飛行時(shí)間技術(shù)獲得裂變中子譜.目前出現(xiàn)了一種新的用于PFNS測量的技術(shù),其原理是基于如下的物理事實(shí):在一次裂變過程中,釋放中子的同時(shí)伴隨著釋放7—8個(gè)γ射線光子,而非彈性散射效應(yīng)產(chǎn)生的γ射線光子只有1—2個(gè).據(jù)此,可以通過裂變?chǔ)蒙渚€的多重性將裂變中子和其他雜散中子甄選出來,達(dá)到測量PFNS的目的.本文建立了基于裂變?chǔ)脴?biāo)識技術(shù)的PFNS測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).利用該系統(tǒng)對252Cf中子源的PFNS進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,測量結(jié)果與傳統(tǒng)的裂變碎片標(biāo)識法及ENDF/B-VII數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行了比較,對新方法的裂變標(biāo)識率以及實(shí)驗(yàn)不確定度也一并進(jìn)行了分析.

1 引 言

核材料裂變過程中發(fā)射的瞬發(fā)裂變中子譜(prompt fission neutron spectrum,PFNS)在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、裂變系統(tǒng)臨界安全計(jì)算、裂變機(jī)制研究及涉及國土安全的核材料探測等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值[1?5].自1938年裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來,PFNS的研究從未停止,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,盡管已開展了較多針對PFNS數(shù)據(jù)的研究,但在某些能量范圍內(nèi),已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在較大差異,并且數(shù)據(jù)的不確定度很大.以252Cf為例,針對該核素的自發(fā)裂變中子已經(jīng)研究非常深入,且被國際原子能機(jī)構(gòu)(International Atomic Energy Agency,IAEA)確定為標(biāo)準(zhǔn)中子譜.但在出射中子能量為0.5 MeV以下和3 MeV以上的能區(qū),已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度很大,尤其在0.1 MeV以下能區(qū),目前僅有三位研究者給出了能譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6].在出射中子能量為8 MeV以上的高能區(qū),由于中子數(shù)隨能量上升呈指數(shù)下降,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度很大,有的實(shí)驗(yàn)相對不確定度可以達(dá)到30%[7].可見,即便是作為研究得比較成熟的核素252Cf,高精度PFNS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的需求仍然非常強(qiáng)烈.對于235U,238U,239Pu等主要錒系核素,其中子誘發(fā)PFNS的需求更加明顯.IAEA專門設(shè)立一個(gè)協(xié)調(diào)研究項(xiàng)目對主錒系核素的PFNS進(jìn)行數(shù)據(jù)評價(jià)和模型評估,以獲得裂變中子能量范圍自熱區(qū)到20 MeV的精確數(shù)據(jù).美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室已將提高239Pu核素PFNS的測量精度列為其未來數(shù)年的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃之一[8,9].

傳統(tǒng)的測量PFNS的技術(shù)手段是采用裂變室,以裂變碎片的時(shí)間信號來標(biāo)識裂變中子,通過中子飛行時(shí)間技術(shù)(n-TOF)獲得裂變中子的能量分布[10].這種方法的劣勢在于使用的裂變材料非常少,通常為百微克至幾十毫克量級,由于PFNS高能中子份額隨中子能量呈指數(shù)下降,較少質(zhì)量的裂變材料使能夠探測到的裂變高能中子數(shù)目極少,這是導(dǎo)致PFNS高能段不確定度較大的一個(gè)重要原因.而且,性能優(yōu)良的裂變室在一般的實(shí)驗(yàn)室也不容易獲得,目前尚未研制出專門用于PFNS測量的239Pu多層快裂變室[11],這也是導(dǎo)致重要核素PFNS數(shù)據(jù)精度較差的原因之一.另外,由于裂變室碎片信號脈沖高度譜甄別閾設(shè)置的不同(甄別效應(yīng)),使得PFNS發(fā)生角度上的畸變[12],從而導(dǎo)致譜數(shù)據(jù)在測量上產(chǎn)生差異.因此,迫切需要發(fā)展一種全新的實(shí)驗(yàn)技術(shù),克服裂變室在PFNS測量中帶來的缺陷,以獲得精度更高的PFNS數(shù)據(jù).最近幾年出現(xiàn)了一種利用裂變?chǔ)脴?biāo)識技術(shù)測量PFNS的方法[13],其原理是基于如下的物理事實(shí):在一次裂變過程中,釋放中子的同時(shí)釋放7—8個(gè)γ射線光子,而非彈性散射效應(yīng)產(chǎn)生的γ射線光子只有1—2個(gè).據(jù)此,可以通過裂變?chǔ)蒙渚€的多重性將裂變中子和其他雜散中子甄別出來,達(dá)到測量PFNS的目的.

本文建立了基于裂變?chǔ)脴?biāo)識技術(shù)的PFNS測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可用于14 MeV D-T中子誘發(fā)238U裂變的瞬發(fā)中子能譜測量研究.利用該系統(tǒng)對252Cf自發(fā)裂變中子源的PFNS進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,測量結(jié)果與傳統(tǒng)的裂變室碎片標(biāo)識法及ENDF/BVII數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行了比較,對新方法的裂變標(biāo)識率以及實(shí)驗(yàn)不確定度也一并進(jìn)行了分析.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 測量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)如圖1所示.14 MeV D-T中子束由能量為134 keV的氘離子束轟擊氚靶獲得,中子束通過d(T,n)α反應(yīng)的伴隨α粒子做標(biāo)記,伴隨α粒子標(biāo)記方法可以極大地降低散射中子對測量結(jié)果的干擾[14].伴隨α粒子探測器由塑料閃爍體與光電倍增管耦合構(gòu)成,閃爍體尺寸為Φ20 mm×0.5 mm,型號為ST-401,放置于距離靶點(diǎn)8 cm位置處.裂變核材料(238U)放置于標(biāo)記中子束前方,距離源中子15 cm.4支陣列裂變?chǔ)锰綔y器采用探測效率高、信號上升時(shí)間快的BaF2探測器,探測器圍繞核材料樣品放置,與樣品保持等距離.為了降低環(huán)境雜散γ的干擾,探測器采用厚度為3 cm的鉛環(huán)進(jìn)行屏蔽.中子源與238U樣品之間放置一個(gè)厚度為15 cm的錐形銅屏蔽體,用于阻擋源中子對BaF2探測器的直接照射.主探測器采用尺寸為Φ80 mm×50 mm的芪晶體探測器,探測器放置于一個(gè)由鉛、石蠟及碳酸鋰組成的屏蔽體內(nèi),探測器前方放置一個(gè)長度為70 cm的銅柱影錐,用于屏蔽源中子對主探測器的影響,主探測器與樣品之間的距離為100 cm.測量系統(tǒng)的實(shí)物照片如圖2所示.

圖1 基于裂變?chǔ)脴?biāo)識技術(shù)的PFNS測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(俯視圖)Fig.1.Measurement experimental system of PFNS based on fission γ tagging technique(top view).

圖2 測量系統(tǒng)實(shí)物照片(側(cè)視圖)Fig.2.Photo of measurement system(side view).

2.2 電子學(xué)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)電子學(xué)系統(tǒng)如圖3所示.四路BaF2探測器的陽極輸出信號送入延遲線(ORTEC 463),分別調(diào)節(jié)延遲線的延遲時(shí)間,使得四路信號在送入多路常份額甄別器(CAEN 812)時(shí)達(dá)到幾乎同步,812有兩個(gè)輸出端,“Σ”輸出端可以獲得“裂變?chǔ)枚嘀刈V”,“OR”輸出端作為1#時(shí)幅轉(zhuǎn)換器(ORTEC 567)的“start”信號.塑料閃爍體探測器的陽極輸出信號經(jīng)過延遲后分成兩路,一路信號送至1#567的“stop”端,該567的輸出端可獲得“α-γ時(shí)間譜”;另一路信號經(jīng)過常份額甄別器(ORTEC 584)后,送入2#567的“stop”端,該567的輸出端連接多道分析器(ORTEC 927)的輸入端,以獲得中子飛行時(shí)間譜.芪晶體探測器的陽極輸出端經(jīng)過常份額甄別器后分成兩路,一路送入2#567的“start”端,另一路與打拿極信號通過“過零法”進(jìn)行中子、伽馬甄別以獲得“n/γ甄別譜”[15].“裂變?chǔ)枚嘀刈V”,“α-γ時(shí)間譜”和“n/γ甄別譜”三路信號送至多路符合器(ORTEC 418)進(jìn)行三重符合,418的輸出作為多道分析器的門信號.

圖3 PFNS電子學(xué)系統(tǒng)框圖Fig.3.Block diagram of PFNS electronics system.

3 實(shí)驗(yàn)過程與討論

3.1 中子束定位

圖4 標(biāo)記中子束定位原理(a)及結(jié)果(b)Fig.4.Positioning principle(a)and results(b)of tagging neutron beam.

d(T,n)α反應(yīng)產(chǎn)生的14 MeV中子是向4π方向發(fā)射的,而通過伴隨α粒子探測器標(biāo)記的錐形中子束則具有一定的方向性.盡管通過幾何關(guān)系可以推出標(biāo)記中子束的大致位置,但由于加速器在調(diào)試和運(yùn)行過程中,D+離子束轟擊靶的位置會(huì)發(fā)生晃動(dòng),從而使得被標(biāo)記中子束的位置發(fā)生移動(dòng).此外,d(T,n)α反應(yīng)產(chǎn)生的中子和α粒子出射方向在實(shí)驗(yàn)室參考系內(nèi)并不是嚴(yán)格的直線關(guān)系,而是有大約7?的偏角.為此,需要準(zhǔn)確定位錐形中子束的位置,為238U樣品的擺放提供參考.錐形中子束定位原理如圖4所示,將一支小體積的中子探測器(BC501A,尺寸Φ50 mm×50 mm)放置在被標(biāo)記的中子束內(nèi),左右移動(dòng)中子探測器,測量關(guān)聯(lián)中子譜線強(qiáng)度與探測器位置的關(guān)系.只有當(dāng)探測器處于標(biāo)記中子束內(nèi)時(shí),才有譜線出現(xiàn);當(dāng)探測器處于標(biāo)記中子束邊緣時(shí),譜線強(qiáng)度則會(huì)減弱,中子譜線強(qiáng)度以α粒子計(jì)數(shù)進(jìn)行歸一.以垂直于D+離子束線方向偏左7?為0點(diǎn)(圖中探測器所示位置),測量5個(gè)位置的中子譜線強(qiáng)度,測量結(jié)果通過高斯擬合后,獲得關(guān)聯(lián)中子束位置為x=1.4 cm處,該位置即為放置樣品238U的最佳位置.

3.2 主探測器及調(diào)試

PFNS測量要求主探測器具有較高的探測效率、較快的上升時(shí)間和良好的n/γ甄別性能.由于PFNS高能段裂變中子數(shù)目隨能量上升急劇下降,較高的探測效率有利于延伸PFNS的能量測量上限;較快的上升時(shí)間有利于PFNS測量系統(tǒng)獲得較好的能量分辨率;良好的n/γ甄別性能有助于獲得較為干凈的PFNS.目前中子能譜測量用得比較多的是芪晶體探測器和液體閃爍體探測器.兩種閃爍體的性能參數(shù)對比如表1所列[16].可見,由于芪晶體的密度較大,發(fā)光衰減時(shí)間短,在高效率和快時(shí)間響應(yīng)兩個(gè)方面均有較為明顯的優(yōu)勢,且獲得大體積的芪晶體目前不存在技術(shù)問題.在相同的能量閾值條件下,對液體閃爍體探測器和芪晶體探測器的n/γ甄別性能進(jìn)行了測試,結(jié)果表明二者的n/γ甄別品質(zhì)因子[17]差別并不大.因此,本文選取了由烏克蘭引進(jìn)的尺寸為Φ80 mm×50 mm的芪晶體作為主探測器.

表1 芪晶體和液體閃爍體性能參數(shù)對比[16]Table 1.Comparison of performance parameters of stilbene crystal and liquid scintillator[16].

由于裂變中子高能中子數(shù)目非常少,主探測器的探測效率在本實(shí)驗(yàn)中顯得極其重要.此外,測量所獲得的裂變中子飛行時(shí)間譜在轉(zhuǎn)換成能譜的過程中也需要用到探測效率曲線.為此,本文利用252Cf裂變室對主探測器的中子探測效率進(jìn)行了刻度,方法是以裂變室碎片標(biāo)記裂變事件作為起始信號,以主探測器的中子信號作為終止信號,測量裂變中子的飛行時(shí)間譜,測量譜經(jīng)過處理后與252Cf的標(biāo)準(zhǔn)中子譜進(jìn)行對比,從而獲得一定閾值下的探測效率曲線[17].252Cf裂變室由核物理與化學(xué)研究所李建勝等[18]提供,實(shí)驗(yàn)時(shí)中子強(qiáng)度約為4.5×102s?1,裂變碎片信號經(jīng)過快前置放大器后的輸出脈沖上升時(shí)間約為7 ns,裂變碎片探測效率高于98.4%,能清晰分辨α粒子信號和碎片信號.閾值為0.663 MeV的中子探測效率刻度曲線如圖5所示,實(shí)驗(yàn)誤差主要來源于統(tǒng)計(jì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)譜的誤差.為便于與理論比較,采用蒙特卡羅程序MCNP5對芪晶體的探測效率進(jìn)行了模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果示如圖5所示(黑色空心方點(diǎn)).可見,在低能區(qū)(閾值以上至5 MeV)模擬計(jì)算效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好,而在高能區(qū)(8—12 MeV),模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性較差,且實(shí)驗(yàn)的不確定度比較大.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是252Cf標(biāo)準(zhǔn)譜在低能區(qū)的不確定較小,而在高能區(qū)的不確定度較大,因此,探測效率在5 MeV以下能區(qū)以實(shí)驗(yàn)值為準(zhǔn),在5 MeV以上能區(qū)則以模擬計(jì)算值為準(zhǔn).

圖5 芪晶體測器效率刻度結(jié)果與模擬計(jì)算對比Fig.5.Detection efficiency of stilbene crystal in experiment and in calculation.

芪晶體探測器由于晶軸的影響,進(jìn)行中子飛行時(shí)間譜測量時(shí)會(huì)產(chǎn)生各向異性效應(yīng),這種效應(yīng)與中子能量和中子入射角度有關(guān),因此,進(jìn)行PFNS測量過程中需要進(jìn)行各向異性修正.已有的研究表明[19],當(dāng)中子入射方向與芪晶體晶軸的夾角很小(10?以內(nèi))時(shí),探測器對各能量中子的各向異性修正因子接近于1.而當(dāng)中子入射方向與晶軸的夾角較大時(shí),不同能量中子的各向異性修正因子差異很大,例如當(dāng)中子垂直于探測器晶軸入射時(shí),2.5 MeV中子的各向異性修正因子達(dá)到1.26,而14.8 MeV中子的各向異性修正因子則為1.15.因此,為了減小各向異性效應(yīng)造成的差異,瞬發(fā)裂變中子實(shí)驗(yàn)在探測器調(diào)試和測量過程中,都應(yīng)始終保持主探測器端面正對著待測中子(待測樣品),確保中子入射方向與晶軸之間的角度盡量小.

3.3 裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)

PFNS測量系統(tǒng)通過裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)甄別非裂變中子,即入射中子與樣品發(fā)生裂變事件時(shí),會(huì)同時(shí)釋放出7—8個(gè)γ光子,而發(fā)生散射事件時(shí),釋放1—2個(gè)γ光子,通過裂變?chǔ)枚嘀匦詫?shí)現(xiàn)對裂變事件的選擇,因而裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)在PFNS測量中非常重要.裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)的測量方法如圖6所示,裂變?chǔ)糜?個(gè)尺寸為Φ100 mm×100 mm的BaF2陣列探測器進(jìn)行探測,探測器陽極輸出信號的上升時(shí)間低于40 ns,快的上升時(shí)間有助于探測同時(shí)產(chǎn)生的多個(gè)裂變?chǔ)檬录?該方法的突出特點(diǎn)是使用了一個(gè)由意大利CAEN公司生產(chǎn)的插件——V812B(16路常份額甄別器).V812B的特點(diǎn)是,在一個(gè)很短的時(shí)間窗口(十納秒量級)內(nèi),輸出脈沖幅度正比于輸入的脈沖數(shù).通過對陣列BaF2探測器的信號進(jìn)行輸入、選擇,即可甄選出裂變?chǔ)玫亩嘀財(cái)?shù)分布.實(shí)驗(yàn)中,為了使用更窄的門寬,四路BaF2信號在進(jìn)入V812B前增加一個(gè)延遲盒(ORTEC 463),通過示波器調(diào)節(jié)四路信號幾乎達(dá)到同步.由于中子與核材料作用產(chǎn)生裂變?chǔ)玫哪芰恐饕植荚?.25—4.75 MeV,而其他作用(非彈、俘獲)產(chǎn)生的γ能量主要為幾萬電子伏特[20],為了降低其他γ對裂變?chǔ)脺y量的干擾,需要對探測器進(jìn)行閾值設(shè)定.設(shè)定的方法是利用BaF2探測器對γ射線響應(yīng)的線性關(guān)系,通過標(biāo)準(zhǔn)137Cs源的0.622 MeV特征γ射線確定裂變?chǔ)玫奶綔y下閾.測量得到的γ多重?cái)?shù)分布如圖7所示.由圖7可知,一重γ事件(即陣列探測器中任意一個(gè)探測到γ事例)最多,達(dá)到三重(即陣列探測器中任意三個(gè)探測器同時(shí)探測到γ事例)以上的γ事件就已經(jīng)很少了.

圖6 裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)分布電子學(xué)線路Fig.6.Electronics block diagram of measuring fission γ multiplicity.

圖7 裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)分布測量結(jié)果Fig.7.Experiment results of measuring fission γ multiplicity.

3.4 PFNS測量

將片狀238U放置于PFNS測量系統(tǒng)的樣品位置,在中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所ns200加速器上通過加速D+離子轟擊氚靶,獲得14 MeV的D-T中子,通過D-T中子轟擊238U樣品使其發(fā)生裂變反應(yīng).按照圖3所示電子學(xué)系統(tǒng)框圖搭建電子學(xué)測量系統(tǒng),以經(jīng)過常份額甄別后的α信號作為開門,通過常份額甄別的中子信號作為關(guān)門,測量裂變中子飛行時(shí)間譜.為了獲得干凈的裂變中子譜,實(shí)驗(yàn)時(shí),需加上“三重符合”(α-γ時(shí)間譜、n/γ甄別、裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)).

14 MeV的D-T中子誘發(fā)238U PFNS(時(shí)間譜原始譜)的測量結(jié)果示如圖8所示.

測量結(jié)果顯示,裂變中子和γ(甄別不干凈)的信號非常清楚地體現(xiàn)在多道譜上,但是測量譜的計(jì)數(shù)率非常低.測量時(shí)間為2000 s,總計(jì)數(shù)為22,計(jì)數(shù)率僅為0.011.為此,從理論上對計(jì)數(shù)率進(jìn)行了估算.假設(shè)加速器中子源中子產(chǎn)額N0=1×107s?1,樣品到中子源的距離h=15 cm,則樣品位置的中子注量率Nn=N0/(4πh2)=1.273×103cm?2/s.238U樣品尺寸為Φ3 cm×0.5 cm,質(zhì)量m=66.76 g,則238U核子數(shù)目n=m/MNA=1.689×1023(M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量,NA為阿伏伽德羅常數(shù)).D-T中子與238U的裂變反應(yīng)截面σf=1.13 barn=1.13×10?24cm2,因此每秒發(fā)生裂變的次數(shù)為nNnσf=2.43×102s?1.探測器為芪晶體,尺寸為Φ8 cm×5 cm,探測器至樣品的距離H=100 cm.裂變中子多重性Nfn=3.探測器本征效率ηEff=10%.因此,探測器記錄到中子的計(jì)數(shù)率為nNnσfNfn[πr2/(4πR2)]ηEff=0.0114 s?1.估算的結(jié)果顯示,估算值與實(shí)測值是相符的.但0.01 s?1的計(jì)數(shù)率非常低,要達(dá)到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)需要測量較長的時(shí)間.計(jì)數(shù)率較低有如下兩方面原因:一方面是加速器中子產(chǎn)額較低,如果加速器中子產(chǎn)額能夠提高一個(gè)量級,則計(jì)數(shù)率相應(yīng)可達(dá)到0.1 s?1,在這樣的產(chǎn)額條件下,若測量時(shí)間為100 h,高能中子(9—10 MeV)所占份額為0.1%,則高能區(qū)對應(yīng)的計(jì)數(shù)N=0.114 s?1×100 h×3600×0.1%=41.對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)誤差為15.6%.若測量150 h,則統(tǒng)計(jì)誤差為12.76%.這樣的統(tǒng)計(jì)誤差是可以接受的.另一方面是BaF2探測器實(shí)際探測效率較低,MCNP5的模擬結(jié)果顯示,在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)布局下單個(gè)BaF2探測器對γ光子的實(shí)際探測效率約為3%,從而導(dǎo)致加上裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)符合后,系統(tǒng)有效計(jì)數(shù)率進(jìn)一步降低.

圖8 D-T中子誘發(fā)238U PFNS實(shí)測結(jié)果Fig.8.PFNS measuring results of238U induced by D-T neutron.

實(shí)際中,加速器中子產(chǎn)額要增加一個(gè)量級仍然有諸多難度,且粒子技術(shù)本身也限制了中子產(chǎn)額不能過高,因?yàn)橹凶赢a(chǎn)額過高會(huì)導(dǎo)致塑料閃爍體探測器過飽和.為此,采用252Cf自發(fā)裂變中子源對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證測量.252Cf源裂變中子產(chǎn)額約為2×104s?1,將252Cf源放置于系統(tǒng)樣品位置處.測量電子學(xué)線路與圖3基本一致,只是不使用塑料閃爍體探測器,而是以BaF2探測到的裂變?chǔ)米鳛闀r(shí)間終止信號,以芪晶體探測器陽極作為起始信號,測量裂變中子飛行時(shí)間譜,測量結(jié)果示如圖9所示.

根據(jù)時(shí)間譜-能譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系[21],將飛行時(shí)間譜轉(zhuǎn)換成中子能譜,并考慮簡單的不確定度(主要考慮統(tǒng)計(jì)數(shù)不確定度和探測效率不確定度),獲得252Cf PFNS如圖10所示.可見,本實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V測量結(jié)果與ENDF-BVII.1數(shù)據(jù)庫的評價(jià)數(shù)據(jù)符合得很好,只是在高能段(8 MeV以上)測量譜相對于數(shù)據(jù)庫能譜有些“上翹”,且能量越高這種“上翹”越明顯.這是由于高能段統(tǒng)計(jì)數(shù)較少,且探測效率本身不確定度較大造成的.測量的結(jié)果說明基于裂變?chǔ)脴?biāo)識法的PFNS測量技術(shù)是可行的,PFNS測量系統(tǒng)是可靠的.

圖9 252Cf自發(fā)裂變源中子飛行時(shí)間譜Fig.9.Spectrum of neutron time-of- flight of spontaneous fission source252Cf.

圖10 252Cf PFNS測量結(jié)果與ENDF數(shù)據(jù)庫比較Fig.10.PFNS of252Cf in experiment and in ENDF/B-VII library.

為了比較裂變?chǔ)脴?biāo)識法與傳統(tǒng)的裂變碎片標(biāo)識法的優(yōu)劣,對裂變?chǔ)脴?biāo)識法的標(biāo)識率進(jìn)行了估算.裂變標(biāo)識率定義為實(shí)際被標(biāo)識的中子數(shù)與應(yīng)該被標(biāo)識的中子數(shù)的比值,表達(dá)式為式中η為裂變標(biāo)識率,NExp為實(shí)驗(yàn)測到裂變譜上的總計(jì)數(shù),Nf為裂變事件總數(shù),ε為探測器的平均探測效率,ˉν為平均一次裂變釋放的中子數(shù).NExp可由裂變譜上的總計(jì)數(shù)直接讀出,Nf由裂變?chǔ)枚嘀財(cái)?shù)總計(jì)數(shù)給出,對于252Cf,ˉν的取值為3.77,主探測器的平均探測效率取值為20%,代入數(shù)據(jù)后得到裂變標(biāo)識率為6.22%.相比于傳統(tǒng)的裂變碎片標(biāo)識法而言,盡管裂變碎片法的裂變標(biāo)識率幾乎為100%(裂變室對碎片的探測效率),但考慮所用核材料的質(zhì)量,裂變?chǔ)脴?biāo)識法(100 g量級)較裂變碎片標(biāo)識法(微克至毫克量級)大很多,因此PFNS測量中,裂變?chǔ)脴?biāo)識法較裂變碎片標(biāo)識法相較于裂變碎片標(biāo)識法仍然有一定的優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

開展了PFNS測量技術(shù)研究,建立了基于裂變?chǔ)脴?biāo)識法的PFNS實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng),對系統(tǒng)各部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹.對14 MeV中子誘發(fā)238U PFNS進(jìn)行了測量,明確了影響測量系統(tǒng)計(jì)數(shù)率的兩個(gè)重要因素:加速器中子產(chǎn)額和裂變?chǔ)锰綔y效率.利用252Cf中子源對PFNS測量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,測量獲得了252Cf源的PFNS并給出了不確定度評價(jià),結(jié)果表明能譜測量結(jié)果與ENDF-BVII.1數(shù)據(jù)庫的評價(jià)數(shù)據(jù)符合得較好,說明基于裂變?chǔ)脴?biāo)識法的PFNS測量技術(shù)是可行的.通過對裂變?chǔ)脴?biāo)識法的標(biāo)識率進(jìn)行了測量,并與傳統(tǒng)的碎片標(biāo)識法進(jìn)行了對比,說明裂變?chǔ)脴?biāo)識法在PFNS測量中較裂變碎片標(biāo)識法仍然有一定的優(yōu)勢.未來考慮采用中子產(chǎn)額更高的加速器中子源或者白光源,可以獲得精度更高的中子誘發(fā)重要核素裂變的瞬發(fā)中子能譜數(shù)據(jù).

感謝四川大學(xué)原子能科學(xué)技術(shù)研究所安竹教授提供的幫助,感謝加速器組劉灣、劉百力、黃瑾等同志提供加速器運(yùn)行.