積分實驗系統(tǒng)的標準樣品法檢驗

張 凱 聶陽波 鮑 杰 阮錫超 任 杰韓 瑞 黃翰雄 李 霞 周祖英

1（中國原子能科學研究院 核數(shù)據(jù)重點實驗室 北京 102413）

2（中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000）

評價中子核數(shù)據(jù)是核裝置設計中的基礎數(shù)據(jù)，如反應堆，為了確保評價數(shù)據(jù)的準確性，國際上通常通過積分實驗來對評價數(shù)據(jù)進行檢驗[1?3]，一個可靠的積分實驗系統(tǒng)成為開展評價數(shù)據(jù)檢驗的重要前提。由于中子和氫(H)只有彈性散射一個反應道，國際上也通常將這個反應道截面作為一個標準截面使用[4?5]，因此，通過測量含氫物質（標準樣品）的泄漏中子譜成為檢驗積分實驗系統(tǒng)的主要手段，常用的標準樣品主要是聚乙烯和水。

中國原子能科學研究院目前已經(jīng)建立了一套用于評價核數(shù)據(jù)檢驗的積分實驗系統(tǒng)，為了驗證該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的可靠性，通過測量聚乙烯和水樣品的泄漏中子譜來對系統(tǒng)進行檢驗。檢驗結果證明積分實驗系統(tǒng)可靠，該系統(tǒng)可成為開展評價中子核數(shù)據(jù)檢驗工作的實驗平臺。

1 測量角度選擇

該研究主要利用中子與氫(n-p)散射峰面積來檢驗系統(tǒng)，因此，獲得一個干凈的n-p散射中子峰是非常重要的。由于氫氣的密度很小，單位體積的氫原子很少，利用氫氣作為標準樣品很難達到統(tǒng)計要求。聚乙烯和水是最常見的含氫比重高的材料，但在實驗測量中，中子與聚乙烯中的碳(C)或與水中的氧(O)作用后，總有些反應道的出射中子能量近似等于n-p散射中子能量。由于n-p散射出射中子能量隨角度變化非常靈敏，選擇合適的測量角度可以盡量減少其他反應道出射中子對n-p散射峰的干擾。

圖1 標準樣品泄漏中子飛行時間譜模擬結果Fig.1 Simulation results of the neutron leakage spectrum for the standard samples.

為了確定最佳測量角度，利用MCNP5程序分別模擬了聚乙烯和水不同角度的出射中子譜，典型模擬結果如圖1所示。由圖1可以看出，對聚乙烯在47°方向，n-p散射中子正好位于n-C第一非彈性散射峰與第三非彈性散射峰之間；對水樣品在 30°方向，n-p散射中子正好位于n-O彈性散射峰與第一非彈性散射峰之間。因此，選擇測量了聚乙烯樣品(10 cm×10 cm×5 cm)在47°方向泄漏中子譜，水樣品(?10 cm×5 cm)在 30°方向泄漏中子譜。

2 積分實驗系統(tǒng)介紹

實驗在中國原子能科學研究院600 kV高壓倍加器上進行，具體實驗布局如圖2所示。

中子通過 T(d,n)4He反應產(chǎn)生，其中入射氘束Ed=300 keV，氚靶厚度約 1 mg·cm?2，束流平均流強約30 μA，脈沖頻率為1.5 MHz，脈寬約為2.5 ns(Full Width Half Maximum, FWHM)，束斑大小約?5mm。T(d,n)4He反應每產(chǎn)生一個中子，同時也會在質心系中的相反方向有一個α粒子出射，利用金硅面壘探測器測量某一方向產(chǎn)生的α粒子可以間接推出產(chǎn)生的總中子數(shù)。將主探測器置于高壓倍加器大廳2 m厚的墻體之外，墻體可有效地降低實驗大廳漫散射的中子成分對測量的影響。為更好地降低散射中子本底和直接來自中子源的影響，在樣品和墻體準直器之間增加了一套前級準直系統(tǒng)。

圖2 標準樣品法檢驗積分實驗系統(tǒng)實驗布局圖Fig.2 Experimental arrangement for inspecting the integral experimental system by the standard sample method.

圖3為實驗測量的聚乙烯樣品的效應譜和本底譜，本底譜所占份額很低。主探測器使用 BC501A型液閃探測器(?5.08 cm×2.54 cm)，通過飛行時間方法測量樣品在不同角度的泄漏中子時間到達譜。在與D束成0°的方向放有一個與主探測器相同大小的液閃探測器，用來監(jiān)視加速器的脈沖束形狀。

圖3 聚乙烯樣品的效應譜和本底譜Fig.3 Background spectrum and effect spectrum for the polyethylene sample.

3 歸一系數(shù)計算

MCNP5模擬得到的是單位源中子被探測器探測到的幾率，而實驗測量得到的是探測器上中子的個數(shù)。因此，在計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)比較之前要將實驗數(shù)據(jù)歸一至單位源中子上，歸一系數(shù)可通過伴隨測量管道(圖4)的尺寸以及 D-T源中子的各向異性因子計算得到[6?7]，135°伴隨離子測量管道的結構如圖4所示，計算公式如下：

圖4 伴隨粒子靶管示意圖Fig.4 Schematic diagram of associated particle target tube.

即每測量一個 α粒子表示靶頭產(chǎn)生 1.508×106個中子?？紤]到靶點漂移和微分截面等引起的誤差，該系數(shù)總的不確定度約3%。

4 系統(tǒng)檢驗結果

利用伴隨粒子計數(shù)以及式(5)給出的歸一系數(shù)完成標準樣品實驗譜的歸一；用MCNP5程序模擬得到相應的模擬譜（采用 ENDF/V-II庫數(shù)據(jù)），模擬過程中細致考慮了源中子能譜角分布、探測器效率以及脈沖中子形狀。結果如圖5所示，其中，圖5(a)為閾值0.5Cs（等效239 keV電子能量，等效約1.14 MeV中子能量）條件下聚乙烯樣品的泄漏中子飛行時間譜，圖5(b)為閾值0.5Cs條件下水樣品的泄漏中子譜。計算了各自n-p散射峰面積，并給出了模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)之間的比值(C/E)，結果如表1所示。實驗結果總不確定度均小于6%（主要考慮統(tǒng)計誤差、歸一系數(shù)不確定度(約3%)和探測器絕對效率不確定度（約4%，包括截面誤差2%、光響應函數(shù)引起的誤差 3%以及探測器尺寸引入的誤差1%））。從結果可以看出，標準樣品的C/E值都很接近1，模擬結果與實驗結果相差小于2%。

圖5 聚乙烯樣品(a)和水樣品(b)的泄露中子譜Fig.5 Neutron leakage spectrum for the polyethylene sample (a) and the water sample (b).

表1 標準樣品n-p散射峰面積比較Table 1 Comparison of n-p scattering peak area for the standard samples.

5 結語

實驗不僅充分證明了實驗系統(tǒng)的可靠性，保證了該系統(tǒng)上開展的其他核素積分檢驗實驗測量數(shù)據(jù)的準確性，且通過標準樣品的n-p散射峰面積可以得到一個相對歸一系數(shù)（實驗譜n-p散射峰面積除以α粒子計數(shù)再除以模擬譜n-p散射峰面積），利用相對歸一計數(shù)對實驗譜進行歸一可以直接抵消掉大部分系統(tǒng)誤差。

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