朱意威 黃翰雄 楊賀潤(rùn) 王學(xué)浩,3 任 杰 段利敏張俊偉 孫 琪 阮錫超

1（中國(guó)原子能科學(xué)研究院核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京102413）2（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州730000）3（西華師范大學(xué) 南充637002）

中子誘發(fā)核材料裂變后的裂變瞬發(fā)中子譜（Prompt Fission Neutron Spectrum，PFNS）在國(guó)防應(yīng)用、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、臨界安全計(jì)算、核技術(shù)以及裂變理論研究中都有廣泛的應(yīng)用，也是核裝置診斷的重要參數(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)此已經(jīng)開(kāi)展了很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作［1-6］和理論研究［7-8］。這些實(shí)驗(yàn)測(cè)量采用了幾種不同的中子能譜測(cè)量方法，例如γ標(biāo)識(shí)法［1］、中子飛行時(shí)間法［2-4］和核乳膠法［5-6］等。然而，不管是同一方法中，還是不同方法之間，這些測(cè)量結(jié)果在能譜高能和低能兩端都存在明顯的分歧，測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算的結(jié)果之間也存在分歧［9-10］。低能端產(chǎn)生分歧的主要原因是裂變出射的中子和本底中子不好區(qū)分；高能端的分歧主要是因?yàn)榱炎冏V呈麥克斯維分布，高能中子在整個(gè)裂變中子譜的占比太少，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)太差。測(cè)量低能中子誘發(fā)易裂變材料的PFNS時(shí)，可以把探測(cè)器探測(cè)閾設(shè)置成略高于源中子能量，這樣可以很好地扣除源中子散射本底對(duì)裂變譜的貢獻(xiàn)，得到裂變譜高能段的結(jié)果［11］。對(duì)于源中子與裂變出射中子能區(qū)有重疊的情況，目前通用的方法是利用中子飛行時(shí)間方法把裂變中子挑選出來(lái)，將出射中子的飛行時(shí)間譜轉(zhuǎn)成能譜，從而得到PFNS。具體做法是將待測(cè)樣品鍍?cè)谝粋€(gè)導(dǎo)電的薄底襯上，做成裂變片，然后將裂變片作為平行板雪崩計(jì)數(shù)器（Parallel Plate Avalanche Counters，PPAC）的一個(gè)電極，PPAC測(cè)量裂變碎片，外面用中子探測(cè)器測(cè)量裂變出射中子，通過(guò)PPAC和中子探測(cè)器的符合測(cè)量可以把裂變中子挑選出來(lái)，從而扣除非裂變中子的影響，得到該樣品的PFNS。針對(duì)PFNS的問(wèn)題，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）曾經(jīng)專門成立合作組［4］，期待解決PFNS數(shù)據(jù)分歧的問(wèn)題。

目前已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能點(diǎn)主要集中在2.5 MeV和14 MeV能點(diǎn)附近，其他能點(diǎn)的數(shù)據(jù)仍然缺乏。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory，LANL）開(kāi)發(fā)了基于白光中子源的PFNS測(cè)量方法［10］，由于中子源限制，目前國(guó)內(nèi)外只有LANL開(kāi)展了這項(xiàng)研究。其基本原理是通過(guò)雙中子飛行時(shí)間方法，把連續(xù)能量的入射中子分能段進(jìn)行處理，通過(guò)設(shè)置中子飛行時(shí)間窗得到不同能段源中子誘發(fā)裂變的瞬發(fā)中子譜。其優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到一系列能點(diǎn)的PFNS，對(duì)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)和理論模型改進(jìn)有重要作用。

為了澄清當(dāng)前PFNS的數(shù)據(jù)分歧，中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)展了基于白光中子源的PFNS的實(shí)驗(yàn)研究。中國(guó)散裂中子源反角白光中子束線（Back-n）是目前國(guó)內(nèi)中子注量率最強(qiáng)的白光中子源［12］，在這上面開(kāi)展PFNS測(cè)量有利于提高數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)精度。為了達(dá)到白光源條件下雙中子飛行時(shí)間法測(cè)量PFNS的目的，專門研制了一個(gè)PPAC用于測(cè)量裂變碎片。針對(duì)PFNS測(cè)量的特點(diǎn)，該P(yáng)PAC要滿足以下條件：一是PPAC結(jié)構(gòu)材料盡可能少，以降低源中子在PPAC上的散射中子本底；二是PPAC的時(shí)間響應(yīng)要快，PPAC與中子探測(cè)器的時(shí)間分辨直接影響最終能譜的能量分辨；三是PPAC內(nèi)裂變片樣品量足夠多，以保證PFNS測(cè)量的統(tǒng)計(jì)精度。本文對(duì)該P(yáng)PAC的構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)介紹，用241Am和252Cf源對(duì)其最佳工作條件及最佳時(shí)間分辨進(jìn)行了測(cè)試。

1 PPAC設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

1.1 PPAC設(shè)計(jì)

PPAC跟普通電離室都屬于氣體探測(cè)器，然而因?yàn)槎吖ぷ麟妷簠^(qū)間不同，導(dǎo)致其性能特性和適用場(chǎng)景不同。PPAC工作電壓高，工作模式處于雪崩區(qū)［13］，時(shí)間響應(yīng)比普通電離室要快得多。由于雪崩效應(yīng)，PPAC輸出信號(hào)幅度跟入射粒子能量不成正比。然而α粒子在PPAC內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)幅度跟碎片產(chǎn)生的信號(hào)幅度相比要小一些，所以從信號(hào)幅度上可以把大部分α粒子和碎片區(qū)分出來(lái)。總體而言，PPAC具有時(shí)間響應(yīng)快、輻照損傷小、適應(yīng)高計(jì)數(shù)率（103～105s-1）條件下的輻射測(cè)量、對(duì)重離子探測(cè)效率接近100%、可以做成面積比較大的探測(cè)器、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)［14-18］，特別適合用于PFNS測(cè)量。目前PPAC的電極結(jié)構(gòu)有兩種：絲狀電極和平板電極。絲狀電極的優(yōu)點(diǎn)是具有平面位置分辨能力，缺點(diǎn)是讀取位置分辨的后端電子學(xué)相對(duì)復(fù)雜一些。平板電極就是用薄膜電極代替絲狀電極，適合用于提取帶電粒子信號(hào)的時(shí)間信息和計(jì)數(shù)測(cè)量。根據(jù)前面的論述可知，對(duì)于PFNS測(cè)量，使用PPAC測(cè)量的是中子誘發(fā)靶材料發(fā)生裂變的時(shí)間，而不關(guān)注裂變碎片的產(chǎn)生位置。因此，平板電極的PPAC滿足PFNS測(cè)量的需求。

此外，平板電極的電場(chǎng)分布更均勻，不容易發(fā)生打火現(xiàn)象。圖1是用Maxwell軟件［19］模擬的平板電極和絲狀電極的電場(chǎng)分布圖。模擬設(shè)置的其中一片電極電壓為-500 V，另一片電壓為0 V，兩塊電極之間的距離為3 mm。從圖1可以看出，平板電極內(nèi)部的電場(chǎng)分布更平滑，而絲狀電極在靠近電極邊緣時(shí)場(chǎng)強(qiáng)有明顯的突變。突變的電場(chǎng)容易增加電極間打火的概率。為保證PFNS長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地實(shí)驗(yàn)測(cè)量，最終采用了平板電極的設(shè)計(jì)方案。

圖1 不同電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布模擬結(jié)果 (a)平板電極，(b)絲狀電極Fig.1 Simulation results of electric field distribution for two kinds of electrode (a)Plate-electrode,(b)Wire-electrode

1.2 PPAC的結(jié)構(gòu)

經(jīng)計(jì)算［20］，基于反角白光的實(shí)驗(yàn)條件，單個(gè)液閃探測(cè)器與PPAC符合測(cè)量時(shí)，100 mg的238U樣品量可使出射中子譜在6 MeV能區(qū)的統(tǒng)計(jì)不確定度好于6.4%，達(dá)到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的普遍水平。而裂變片樣品質(zhì)量不能太厚，否則裂變碎片會(huì)因樣品的自吸收而出不來(lái)。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)由10個(gè)單元組成的PPAC，10個(gè)單元可以單獨(dú)引出信號(hào)，每個(gè)單元的樣品量約為10 mg。根據(jù)PFNS測(cè)量的特點(diǎn)，為減少PPAC結(jié)構(gòu)材料上產(chǎn)生的散射中子本底，要求PPAC的結(jié)構(gòu)材料盡可能少，從樣品底襯、電極支撐架、電纜走線以及PPAC外殼，都盡量精簡(jiǎn)。圖2是PPAC外觀及內(nèi)部的照片，圖3是內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。每個(gè)單元采用“三明治”夾心結(jié)構(gòu)，即中間是裂變片，接-500 V電壓作為陰極，兩側(cè)接地的是陽(yáng)極，電極間距3 mm。裂變片底襯材料為100μm厚的不銹鋼，底襯兩面各鍍有約5 mg的238U樣品（底襯直徑72 mm，鍍層直徑約40 mm）；兩側(cè)陽(yáng)極采用厚度為2μm雙面鍍鋁的Mylar膜。陽(yáng)極引出信號(hào)至外殼的真空LEMO接頭作為信號(hào)收集極。單元之間用厚度為20μm的金片作為屏蔽，作用是阻止該單元內(nèi)的裂變碎片或帶電粒子穿透到相鄰的PPAC單元，避免數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（Data Acquisition system，DAQ）對(duì)同一事例多次觸發(fā)。PPAC外殼是一個(gè)內(nèi)徑110 mm的圓柱形鋁筒，壁厚3 mm。鋁筒兩端各有一個(gè)直徑為60 mm的入射窗，入射窗材質(zhì)為25μm厚的Kapton膜。入射窗的作用是允許大部分中子穿過(guò)PPAC外殼打在裂變片上，同時(shí)，入射窗也應(yīng)該盡量薄，以減少源中子在入射窗上的散射。PFNS在反角白光束線測(cè)量時(shí)的中子束斑直徑為50 mm，PPAC靶片尺寸及入射窗尺寸都是為了滿足“束包靶”及源中子不能直接打在PPAC外殼上的要求而確定的。PPAC外殼上還有兩個(gè)真空接頭，分別作為PPAC的進(jìn)氣口和抽氣口。

圖2 PPAC外觀(a)及內(nèi)部(b)照片F(xiàn)ig.2 The photo of the appearance of the PPAC(a)and its internal structure(b)

圖3 PPAC的RC回路圖Fig.3 The RC circuit of the PPAC

1.3 氣壓穩(wěn)定系統(tǒng)

PPAC工作于低壓、流氣模式。工作氣體通常選用異丁烷（C4H10）或全氟丙烷（C3F8），根據(jù)文獻(xiàn)［21］的研究，異丁烷更適合用在高計(jì)數(shù)率、重帶電離子的探測(cè)場(chǎng)合；而全氟丙烷比較適合測(cè)量輕帶電粒子。另外，異丁烷是可燃?xì)怏w，有些實(shí)驗(yàn)室出于安全考慮禁止使用。本工作使用的是異丁烷作為工作氣體，純度為99.99%。PPAC工作氣壓一般小于1 kPa，氣體流量約為50 mL·min-1。為保證PPAC內(nèi)工作氣體的純度和氣壓穩(wěn)定，使用了一套流氣自動(dòng)控制系統(tǒng)（圖4）。整個(gè)系統(tǒng)由主控器（INFICON VCC500）、壓力 傳 感 器（Pfeiffer CMR372）、電 磁 閥（Pfeiffer EVR116）、減壓閥、針閥、截?cái)嚅y和真空泵（Pfeiffer TS600，無(wú)油干泵）等組成。PPAC出氣端的壓力傳感器實(shí)時(shí)將氣壓信號(hào)傳給主控器，主控器根據(jù)預(yù)設(shè)的氣壓值自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥開(kāi)口大小，從而實(shí)現(xiàn)流氣的穩(wěn)壓控制。針閥可以起到很好的第一級(jí)穩(wěn)流作用，降低流氣速度的同時(shí)，一方面可以減少電磁閥的動(dòng)作頻率，另一方面也可以防止氣壓突然變化過(guò)大導(dǎo)致壓力傳感器及電磁閥受損。抽真空時(shí)，用一個(gè)聚四氟轉(zhuǎn)接頭將真空泵與PPAC進(jìn)行了導(dǎo)電絕緣處理，以免真空泵給PPAC的輸出信號(hào)帶來(lái)干擾。PPAC剛開(kāi)始抽真空時(shí)，以及PPAC出現(xiàn)打火現(xiàn)象后，需要將PPAC內(nèi)的殘余氣體抽干凈，然后充入新的工作氣體，反復(fù)抽-充換氣3次以保證工作氣體的純度，這一過(guò)程俗稱“洗氣”。

圖4 流氣控制示意圖Fig.4 The sketch map of gas flow control system

在該P(yáng)PAC正式使用前，對(duì)其進(jìn)行了氣密性測(cè)量。測(cè)試方法是把PPAC進(jìn)氣口截?cái)嚓P(guān)閉，用真空泵在出氣口抽真空，等真空降到100 Pa左右時(shí)把出氣口的閘板閥關(guān)閉，然后間隔一段時(shí)間記錄一次PPAC的真空氣壓值。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，不同曲線表示不同時(shí)間點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，其中BAD1和BAD2是PPAC有明顯漏氣的情況，其余是真空正常的結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，PPAC有明顯漏氣時(shí)，真空一方面很難降到100 Pa以下；另一方面即使通過(guò)增加抽氣時(shí)間使得氣壓達(dá)到100 Pa附近，0.5 h后氣壓會(huì)明顯大于300 Pa。實(shí)驗(yàn)前需要先對(duì)PPAC做一次氣密性測(cè)量，優(yōu)良的氣密性是PPAC達(dá)到最佳時(shí)間分辨的一個(gè)必要前提。

圖5 PPAC真空度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of vacuum degree of the PPAC with time

2 PPAC性能測(cè)試

PPAC的時(shí)間分辨性能直接決定了入射中子的能量不確定度和PFNS的能量分辨率，對(duì)PPAC的性能測(cè)試主要是對(duì)其時(shí)間分辨進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分為兩步進(jìn)行：先利用α源測(cè)試PPAC相鄰兩個(gè)單元的時(shí)間符合，可以在無(wú)外部干擾情況下，測(cè)試PPAC本身的性能。確定PPAC性能后，再測(cè)試PPAC與液閃探測(cè)器的時(shí)間符合譜，得到PPAC與液閃探測(cè)器符合測(cè)量的時(shí)間分辨，以確定PFNS測(cè)量時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的整體時(shí)間分辨情況。

2.1 相鄰兩個(gè)PPAC單元之間的時(shí)間符合

為了測(cè)試相鄰兩個(gè)PPAC工作單元之間的時(shí)間分辨，需要先去除相鄰兩單元之間的金片，以便α粒子能穿透兩個(gè)相鄰單元。在第一個(gè)單元陽(yáng)極外側(cè)用膠帶固定住一個(gè)241Am源，241Am放出的α粒子先在最上面那個(gè)單元內(nèi)電離氣體產(chǎn)生信號(hào)1（PPAC1），隨后穿透第一個(gè)單元進(jìn)入第二個(gè)單元產(chǎn)生信號(hào)2（PPAC2）。實(shí)驗(yàn)電子學(xué)如圖6所示，兩個(gè)PPAC單元的信號(hào)經(jīng)快前放（FTA820）放大后，通過(guò)恒比定時(shí)（CF8000）進(jìn)行定時(shí)后分別作為飛行時(shí)間的起始信號(hào)（START）和停止信號(hào)（STOP）。該時(shí)間譜的形狀符合高斯分布，可以用高斯峰的半高寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）來(lái)定義PPAC的時(shí)間分辨能力。

圖6 兩個(gè)PPAC單元的時(shí)間符合電子學(xué)Fig.6 The electronics of the time-correlated measurement between two PPAC units

兩個(gè)單元之間的時(shí)間分辨反映了PPAC本身的時(shí)間特性，是用來(lái)評(píng)估PPAC性能的一個(gè)重要指標(biāo)。為了找到該P(yáng)PAC時(shí)間分辨最好的工作條件，測(cè)試了不同氣壓（P）、不同高壓（VH）條件下相鄰單元的時(shí)間符合譜。圖7是該P(yáng)PAC時(shí)間分辨最好時(shí)的時(shí)間符合譜，利用高斯擬合得到FWHM=24.34道。TAC道寬為25.3 ps/道，所以該P(yáng)PAC最佳時(shí)間分辨為FWHM=24.34×25.3 ps=620 ps，對(duì)應(yīng)工作條件為：P=700 Pa，VH=-555 V。

圖7 相鄰單元之間的時(shí)間符合譜Fig.7 The time-correlated spectrum of two neighbor PPAC units

2.2 PPAC與液閃探測(cè)器的時(shí)間符合

中子飛行時(shí)間方法測(cè)量PFNS的基本原理是：通過(guò)PPAC與中子探測(cè)器進(jìn)行時(shí)間符合測(cè)量，得到中子誘發(fā)靶材料裂變的出射中子飛行時(shí)間譜，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換從而得到PFNS。因此，除了要關(guān)心PPAC相鄰單元之間的時(shí)間分辨特性外，PPAC與中子探測(cè)器的時(shí)間符合譜的時(shí)間分辨也是PFNS測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)能量大于1 MeV的中子能譜，通常選用液體閃爍體探測(cè)器（簡(jiǎn)稱“液閃”，LS）；對(duì)1 MeV以下能區(qū)的中子，可以選用鋰玻璃探測(cè)器。中國(guó)原子能科學(xué)研究院PFNS測(cè)量項(xiàng)目更關(guān)心快中子能區(qū)的結(jié)果，因此，性能測(cè)試時(shí)選擇用液閃探測(cè)器與PPAC進(jìn)行時(shí)間符合測(cè)量，液閃探測(cè)器除了有時(shí)間響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)外，還有較好的n-γ甄別能力，能剔除大部分的γ本底。測(cè)試時(shí)PPAC的工作條件跟§2.1相鄰單元符合測(cè)量是一樣的，只需要把241Am源換成一個(gè)252Cf碎片源。在PPAC旁邊相距約10 cm處放置一個(gè)液閃（型號(hào)為EJ301，閃爍體尺寸為?12.7 cm×5.1 cm，高壓-1 650 V），PPAC測(cè)量252Cf源自發(fā)裂變放出的裂變碎片，液閃測(cè)量PPAC內(nèi)252Cf源自發(fā)裂變放出的中子，兩個(gè)探測(cè)器進(jìn)行時(shí)間符合測(cè)量，可以剔除大部分液閃探測(cè)器測(cè)得的非裂變中子的干擾。PPAC與液閃探測(cè)器時(shí)間符合譜的半高寬被定義為探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨。PPAC與液閃探測(cè)器符合測(cè)量的電子學(xué)見(jiàn)圖8。為了減少DAQ的無(wú)效開(kāi)門信號(hào)，用液閃探測(cè)到的中子信號(hào)定時(shí)后送門產(chǎn)生器（CO4020）產(chǎn)生DAQ的開(kāi)門信號(hào)（Gate）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取機(jī)箱用的是WIENER的MVME機(jī)箱，軟件用的是MESYTEC的MVME。

圖8 液閃探測(cè)器與PPAC時(shí)間符合測(cè)量的電子學(xué)Fig.8 Electronics of time-correlated measurement between liquid scintillator detector and PPAC

之前用PPAC測(cè)量α?xí)rPPAC的最佳工作氣壓為700 Pa，工作電壓為-555 V。由于碎片信號(hào)的幅度比α信號(hào)的幅度大得多，所以相同氣壓下，需要適當(dāng)降低工作電壓，以免PPAC打火。另外，也要確保PPAC輸出信號(hào)的幅度不能超過(guò)后端電子學(xué)的電壓上限值。圖9是此次測(cè)量的其中一個(gè)結(jié)果，圖9（a）是液閃測(cè)量252Cf時(shí)的粒子甄別譜（Pulse Shape Discrimination，PSD），左邊是γ事件，右邊是中子事件；圖9（b）是沒(méi)加PSD條件時(shí)，中子和γ粒子從PPAC飛行到液閃探測(cè)器的飛行時(shí)間譜。從圖9可以看出，由于中子的能量是連續(xù)的，從PPAC到液閃探測(cè)器的飛行時(shí)間有快有慢，在γ峰右邊形成了明顯的拖尾，導(dǎo)致無(wú)法確定探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨；圖9（c）是用圖9（a）中方框內(nèi)的γ事例挑選出來(lái)的飛行時(shí)間譜，扣除了中子的影響。對(duì)圖9（c）這個(gè)譜取半高寬就得到了探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨。經(jīng)過(guò)測(cè)試，確定該P(yáng)PAC測(cè)量碎片時(shí)最佳工作電壓為-500 V，工作氣壓為750 Pa。最佳工作條件下PPAC與中子探測(cè)器的時(shí)間符合譜半高寬FWHM=3.67道×240 ps/道=880 ps。

圖9 液閃探測(cè)器的PSD譜及是否加PSD條件的飛行時(shí)間譜比較(a)液閃探測(cè)器PSD譜，(b)沒(méi)加PSD條件的飛行時(shí)間譜，(c)加PSD條件后的飛行時(shí)間譜Fig.9 Comparison of PSD spectrum of liquid scintillation detector and time of flight spectrum with or without PSD condition(a)The PSD spectrum measured by liquid scintillator detector,(b)The time of flight spectrum without PSD condition,(c)The time of flight spectrum after PSD condition

2.3 PPAC與液閃探測(cè)器時(shí)間分辨對(duì)出射中子能譜的影響

時(shí)間分辨對(duì)出射中子能譜能量分辨的影響可以由中子飛行時(shí)間公式推導(dǎo)得到［22］：

式中：L為中子飛行時(shí)間；E為中子能量；t為中子飛行時(shí)間；Ei稱為中子的能散。從式（1）可以看出，能量不確定來(lái)自三方面：一是飛行距離的不確定，它是由中子源（或樣品）和探測(cè)器在中子飛行路徑上的長(zhǎng)度貢獻(xiàn)的，本項(xiàng)目出射中子飛行距離為1 m，距離精度ΔL為1 mm；二是中子飛行時(shí)間的不確定，它來(lái)自脈沖束寬度和探測(cè)器、電子學(xué)系統(tǒng)定時(shí)帶來(lái)的不確定（不包括ΔL引進(jìn)的Δt），取中子探測(cè)器與PPAC的符合時(shí)間譜半高寬0.9 ns作為時(shí)間不確定度；第三項(xiàng)是產(chǎn)生中子源反應(yīng)的帶電粒子的能量不確定及靶厚和中子出射張角帶給中子的能量分散，在白光中子源的PFNS實(shí)驗(yàn)中，源中子能量本身就是連續(xù)的，這項(xiàng)假設(shè)為0。在PFNS實(shí)驗(yàn)中，能量相近的中子引起的PFNS形狀上沒(méi)有明顯區(qū)別，所以入射中子的能量分辨可以忽略不計(jì)。對(duì)出射中子的影響可以根據(jù)上面公式和中子飛行時(shí)間公式［23］計(jì)算得到，計(jì)算過(guò)程中取中子飛行距離1 m，飛行距離精度1 mm，時(shí)間精度0.9 ns，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同中子能量的中子飛行時(shí)間與能量分辨的關(guān)系Table 1 The relationship between the neutron time of flight and the energy resolution of neutrons in different energy

中子能量越高，飛行時(shí)間越短，探測(cè)器的時(shí)間分辨對(duì)最終能譜影響越大。PFNS關(guān)注的最大出射中子能量約為8 MeV（更大能量的出射中子占整個(gè)能譜的份額太小，基本測(cè)不出來(lái)了）。以8 MeV的出射中子為例，由時(shí)間分辨引入的出射中子能量不確定度最大為7.78%，小于10%的預(yù)期目標(biāo)。因此，該P(yáng)PAC的時(shí)間分辨滿足PFNS測(cè)量的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)專門用于PFNS測(cè)量，由10個(gè)單元構(gòu)成的PPAC。該P(yáng)PAC在使用241Am測(cè)試時(shí)，相鄰兩個(gè)單元的時(shí)間符合譜半高寬為620 ps；用252Cf測(cè)試PPAC與液閃探測(cè)器時(shí)間符合譜的半高寬為880 ps。該P(yáng)PAC的時(shí)間響應(yīng)快，可以滿足PFNS測(cè)量10%的能量不確定度需求，為后續(xù)開(kāi)展PFNS測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，本文對(duì)PPAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流氣控制系統(tǒng)都作了詳細(xì)描述，希望對(duì)從事類似氣體探測(cè)器工作的同志提供一些參考。

致謝感謝中國(guó)散裂中子源敬罕濤老師提供反角白光中子源相關(guān)參數(shù)供計(jì)數(shù)率估算。