裂變室在散裂中子源反角方向束流監(jiān)視系統(tǒng)中的應用研究

王 琦 鮑 杰 侯 龍 阮錫超 蘇曉斌 敬罕濤 李 強

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（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

裂變室在散裂中子源反角方向束流監(jiān)視系統(tǒng)中的應用研究

王 琦1鮑 杰1侯 龍1阮錫超1蘇曉斌1敬罕濤2李 強2

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（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

將235U與238U兩種材料組成的裂變電離室作為散裂中子源反角方向束流監(jiān)視系統(tǒng)應用的探測器，采用飛行時間方法可以高精度地測量束流的能譜。本文主要介紹整個系統(tǒng)的時間分辨精度對能量分辨的影響以及實際測量中的修正因素，時間分辨引起的能量分辨與能量的3/2冪成正比，能量分辨引起與標準截面的能量差異的修正小于0.1%，實驗結(jié)果表明該項裂變電離室的設計能滿足散裂反角中子能譜測量的要求。

時間分辨，中子能譜，裂變室

散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是我國正在建設的重大科研裝置，在該裝置上可以開展多項與中子物理相關的科學研究。為實時監(jiān)視加速器工作狀態(tài)，并且為中子核數(shù)據(jù)的精確測量提供歸一因子，我們采用了多種設計方案。其中，裂變電離室具有對γ本底不靈敏、耐輻照穩(wěn)定性較好等特點，可以優(yōu)先作為束流監(jiān)視探測器。本文主要介紹裂變電離室在散裂中子源束流反角方向監(jiān)視系統(tǒng)中的應用研究。

1 裂變電離室結(jié)構(gòu)設計

散裂中子源利用1.6 GeV脈沖頻率25 Hz的質(zhì)子束流轟擊鎢靶產(chǎn)生大量中子，其特點是中子能量分布廣，從超冷中子（10?7eV以下）直到GeV能區(qū)，且強度高。鎢靶采用片狀結(jié)構(gòu)，包括水冷層、靶和不銹鋼包裹層，尺寸為6 cm(w)×16 cm(h)× 60cm(l)。水平鎢靶的上方和下方放置3個慢化體，外反射層是Be，放置在316L不銹鋼容器內(nèi)。用FLUKA程序模擬得到散裂中子源反角方向距離靶頭55 m與80m的能譜（雙對數(shù)坐標），見圖1。模擬中使用均勻束流分布，鎢靶上束流目標區(qū)的尺寸為4 cm(w)×16 cm(h)。由模擬結(jié)果得到反角方向中子束流不同能量間隔中子的比例，0.53 (1 eV?1MeV)、0.4 (1?20MeV)、0.05 (20?200 MeV)。

裂變室結(jié)構(gòu)如圖2所示。為提高強度，裂變室外殼采用0.1 mm鈦合金，235U和238U電沉積在0.1mm厚、直徑60 mm的白金底襯上，收集極采用0.1 mm厚、直徑60 mm的銅片，充一個大氣壓(99.99%)的CH4。需說明的是源中子的束流經(jīng)過的準直孔直徑標準有兩種，分別為30 mm、60mm。為了確定235U和238U的量，因此靶片活性區(qū)鍍層的面積比束流面積小一些，鍍層的活性區(qū)直徑為26mm。靶片與電極邊緣打孔，套在4根有機玻璃柱上，玻璃柱的直徑為4 mm，與裂變室外殼通過小螺絲固定，極板間用聚四氟乙烯墊圈間隔，極板間的距離可以由幾種不同的墊圈厚度調(diào)節(jié)，信號極通過lemmon頭接前置放大器，并通過前置放大器對信號極加正電壓。裂變室初步采用流氣式設計，待測試合格后采用密閉式工作方式。

圖1 55 m、80 m處中子能譜Fig.1 Neutron spectrum in 55 m, 80 m position.

圖2 裂變室結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fission chamber.

束流監(jiān)視探測器采用裂變電離室裝配235U與238U靶片，國際原子能機構(gòu)IAEA推薦的235U、238U標準截面其特點和適用能區(qū)在表1[1]中給出。

表1 235U、238U截面特點和能區(qū)Table 1 Feature of 235U, 238U cross section and energy range.

2 測量原理

n-TOF中子飛行時間法測得中子的飛行時間譜φ(t)，要求出中子能譜還需知道裂變室的探測效率ε(E)，這里的探測效率ε(E)與裂變室靶片的裂變截面σ(Ei)、單位面積靶核數(shù)N和裂變碎片的探測效率εf有關。

中子的能譜φ(E)可表示為：

ENDF/B-VI提供的裂變截面值σ(Ei)是一些非連續(xù)能點上的截面值，我們把這些非連續(xù)能點截面值擬合給出連續(xù)截面譜，根據(jù)式(2)可求出中子能譜k與飛行距離有關的常數(shù)。

3 測量方案

如圖3所示，在1#廳的準直孔處放置氟化鋇探測器，裂變電離室放置于2#廳中子捕集器前，距離靶頭的距離80 m處，裂變室放置于直徑30 mm真空管道的末端，裂變室235U靶片的電極在前面，正對著真空管道末端的壁。實驗電子學如圖4所示，對中子不靈敏的BaF2探測器探測散裂反應發(fā)出的γ信號，作為飛行時間的起始信號送入TDC。TDC采用CAEN的V767B，時間分辨0.8 ns，測量時間范圍800 μs，通過在一路輸入周期為300 μs的信號可以甄別40 ms范圍的信號并且沒有死時間，這樣就可以測量到熱中子能量范圍的信號。

圖3 裂變室的位置Fig.3 Location of the fission chamber.

裂變電離室在中子束流中產(chǎn)生兩種信號，一個是235U和238U自發(fā)衰變的α信號，另一個是裂變脈沖信號，通過仔細的選擇CFD (Constant Fraction Discriminator)恒比定時的閾值，從而甄別α信號和裂變信號，將裂變信號輸入TDC (Time to Digital Converter)，另一路信號送入ADC (Analog to Digital Converter)數(shù)據(jù)獲取進行數(shù)據(jù)存儲。獲取系統(tǒng)采用VME (VersaModule Eurocard)標準，由專用的獲取軟件可實時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

散裂中子源反角方向的中子束流是脈沖化束流，加速器能提供能量1.6 GeV、脈沖頻率25 Hz的質(zhì)子束流，tps是質(zhì)子加速器引出的到達信號時間，t0是質(zhì)子打在鎢靶上的時間，這個時間也是中子束流發(fā)生的時間，要比tps落后一點，散裂中子在產(chǎn)生和準直過程中會產(chǎn)生γ光子，這些γ光子按到達探測器的時間快慢可以分為兩種：散裂反應過程產(chǎn)生的“快成份”γ射線和中子在鉛靶和準直器材料中的俘獲反應放出的“慢成份”γ射線。“快成份”英文稱為“γ flash”，可精確的標定每個中子束流脈沖的起始時刻，tγ是“快成份”γ射線到達BaF2探測器的時間。實際測量中用鎘片濾掉熱能區(qū)以下的中子成份，因此每個脈沖束流到達裂變室的tstop≈37ms，保證了BaF2探測器與裂變室探測到的是同一個反應來的脈沖信號。中子飛行時間時序圖如圖5所示，“γ flash”信號tγ先進入BaF2探測器給出飛行時間的起始時刻，然后是各種能量的中子到達裂變室給出飛行時間的終止時刻，加速器的拾取信號給TDC開門。

圖5 中子飛行時間時序圖Fig.5 n-TOF commissioning time signals.

4 系統(tǒng)的時間分辨測量

如果能量E的單位為MeV，飛行距離的單位為m，飛行時間的單位是ns，可以計算出中子通過一段固定距離L所需要的時間t，有如下關系：

在不考慮源中子產(chǎn)生的能量分散的情況下，用飛行時間法測量中子能譜時，其能量相對分辨率由式(4)給出：

飛行距離L可以十分精確地確定，因此束流監(jiān)視系統(tǒng)的能量分辨率主要取決于飛行時間t的不確定值Δt。

裂變室的時間分辨性能主要與極間距、裂變室所充氣體以及電子學系統(tǒng)有關。為評估前期模擬和設計的結(jié)果，我們制作了一個極間距可調(diào)節(jié)的252Cf源裂變電離室，用該電離室與液閃探測器進行系統(tǒng)的符合分辨時間測量[2]，實驗電子學見圖6。

圖6 飛行時間法的電子學框圖Fig.6 Electronics for the n-TOF method.

用裂變室信號作為起始信號，BC501A探測器信號作為停止信號，調(diào)節(jié)裂變室的極間距為1 mm，所充氣體CH4，測量中子與γ的飛行時間譜如圖7所示。

圖7 裂變信號做起始信號的中子與γ飛行時間譜Fig.7 Spectrum of n, γ-TOF as fission signal start.

圖7 中左邊加亮的峰為γ信號時間譜，其半高寬為779?940道占161道，該γ峰的半高寬主要由裂變電離室與液閃探測器的時間分辨決定，因此γ峰的半高寬能反映裂變電離室的定時精度。為排除由于液閃與裂變室計數(shù)率的差異影響，我們用液閃信號作為起始信號，裂變室信號延遲后接TAC (Time to Amplitude Converter)，測量中子飛行時間譜如圖8。

γ峰半高寬為1504?1665道占161道，經(jīng)時間刻度多道每一道的時間寬度為0.026 ns，從時間譜上讀出的半高寬即時間分辨Δt=4.2 ns。

圖8 中子信號為起始信號的中子與γ飛行時間譜Fig.8 Spectrum of n, γ-TOF as neutron signal start.

影響時間分辨的因素主要有：(1) 裂變電離室的分辨時間Δt1；(2) 液閃探測器的分辨時間Δt2；(3)電子學的分辨時間Δt3。

總的分辨時間：

在實際測量中我們用對γ時間響應更快的BaF2探測器代替液閃探測器，因此實際測量的時間分辨比現(xiàn)在測量的參數(shù)要好，由目前的實驗結(jié)果推出系統(tǒng)的中子能量分辨：

考慮到將來用TDC代替TAC，對系統(tǒng)的時間分辨貢獻也不會超過1 ns，因此該實驗能反映出實際測量中時間分辨對能量分辨的影響。

5 各項修正

在裂變室實際測量中，需要考慮影響測量結(jié)果的因素[3]主要有：(1) 電子學死時間；(2) 由中子能量分辨引起的與標準截面能量的差異；(3) 裂變碎片在靶材料中的自吸收修正；(4) 中子在底襯材料、探測器外殼上的散射影響。

IAEA給出的235U(n,f)標準截面庫[4]的能量為0.0253 eV?200 MeV，在1.0×10?5eV?2.25 keV可分辨共振能區(qū)是用SAMMY程序給出的評價值；在2.25?25 keV不可分辨共振能區(qū)，ENDF-B/VI給出的是一個評價平均參數(shù)，與IAEA的標準截面非常接近。由式(7)可以看出，中子的能量分辨與能量有關，能量越高能量分辨越差，在2.25?25 keV不可分辨能區(qū)，截面隨能量變化顯著，其能量分辨好于5.7 eV。ENDF-B/VI給出的評價值每800 eV變化小于1.4%，在能量分辨最差的高能點200 MeV的能量分辨為4.1 MeV。ENDF-B/VI給出的評價值為每8 MeV變化小于0.7%，整體分析由于系統(tǒng)的能量分辨引起的與標準截面能量差異的修正小于0.1%。

由于鈾鍍層有一定的厚度（現(xiàn)在用的標準樣品約為350 μg·cm?2），所以對于飛行方向接近平行于靶面方向的碎片，將可能不能射出樣品表面，我們稱這種情況為裂變碎片在樣品中的自吸收，需要做自吸收修正。修正采用公式：

式中，t為標準樣品鍍層的平均厚度；R為裂變碎片在鍍層中的平均射程；σ為鍍層厚度均勻性的標準偏差。為確定σ的大小，文獻[5]測量了所用的標準樣品厚度的均勻性在熱中子束上用裂變室測量單位重量裂變物質(zhì)的裂變率隨標準樣品厚度的變化，得到的斜率為(7±1)%/(mg·cm?2)，與均勻標準樣品的斜率(6.7±5)%/(mg·cm?2)相近，因此可認為σ可以忽略。取R=(7.74±0.90) mg·cm?2，實驗中所用的標準樣品的厚度小于0.36 mg·cm?2，所以標準樣品的修正系數(shù)F不超過1.0263，所引入的誤差小于0.5%。

為說明裂變室的引入對束流的影響，用MCNP4C程序模擬了裂變室在束流方向前后兩個面通量對比，輸入中子能譜采用散裂源在80 m處的中子能譜，從模擬的結(jié)果(圖9)可以看到，裂變室的引入對從幾個keV到100 keV中子能量范圍內(nèi)的束流影響較為顯著，探測器前后兩個面中子束流下降了0.729%，其它能量范圍的中子通量影響不超過0.1%。

圖9 裂變室前后面中子束流對比Fig.9 Neutron flux comparison at fission chamber back and front.

6 結(jié)語

235U和238U作為中子轉(zhuǎn)換材料的裂變室可以在較寬的能區(qū)對中子能譜進行監(jiān)測[6]，其截面的不確定度大部分在2%以內(nèi)，只有在少數(shù)共振能區(qū)和高能區(qū)的截面不確定度較大[7]；用252Cf裂變電離室通過中子飛行時間方法，對裂變室測量系統(tǒng)的時間分辨初步評估，由時間分辨引起的修正在0.1%以內(nèi)；裂變室的外殼材料、底襯和電極材料對中子束流的影響在1%以內(nèi)，以后可以考慮用更薄的Mylar膜作為裂變室入射窗材料。

1 丁大釗, 葉春堂, 趙志祥, 等. 中子物理學[M]. 北京:原子能出版社, 2000: 208

DING Dazhao, YE Chuntang, ZHAO Zhixiang, et al. Neutron physics[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2000: 208

2 李建勝, 張翼, 金宇, 等.252Cf快裂變室研制[J]. 核電子學與探測技術, 2001, 21(4): 264?267

LI Jiansheng, ZHANG Yi, JIN Yu, et al. Development of252Cf fast fission chamber[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2001, 21(4): 264?267

3 Gayther D B. International intercomparison of fast neutron fluence-rate measurements using fission chamber transfer instruments[J]. Metrologia, 1990, 27: 221?231

4 Carlson A, Poenitz W P, Hale G M, et al. The ENDF/B-6 neutron cross section measurements standards[DB]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD May 1993

5 楊毅.235U裂變產(chǎn)額隨入射中子能量變化的實驗研究[D].中國原子能科學研究院, 2005

YANG Yi. The experimental study of235U fission yield change with incidence neutron energy[D]. China Institute of Atomic Energy, 2005

6 Colonna N, Andriamonje S, Andrzejewski J, et al. Neutron measurements for advanced nuclear systems: the n-TOF project at CERN[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2011, 269: 3251?3257

7 Barbagallo M, Guerrero C, Tsinganis A, et al. High-accuracy determination of the neutron flux at n-TOF[J]. European Physical Journal A, 2013, 49: 156?167

CLC TL818

Study of fission ionization chamber in CSNS flux monitor system

WANG Qi1BAO Jie1HOU Long1RUAN Xichao1SU Xiaobin1JING Hantao2LI Qiang2
1(Key Laboratory of Nuclear Data Measurement and Evaluation Technology, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The fission ionization chamber is constituted by235U and238U materials as monitor in China Spallation Neutron Source (CSNS) reverse angle. Purpose: This paper mainly introduces the whole system time precision influence on the energy resolution and the actual measurement corrections. Method: The flux energy spectrum is measured accurately using n-TOF method. Results: The time resolution which is caused by energy resolution is proportional to 3/2 power energy, and the correction is induced less than 0.1% due to differences of the standard cross section energy. Conclusion: The experimental results show that the design of the ionization chamber can meet the requirements of CSNS neutron flux measurements.

Time resolution, Neutron spectrum, Fission ionization chamber

TL818

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100403

王琦，男，1981年出生，2009年于蘭州大學獲碩士學位，研究領域為實驗核物理

2015-01-19，

2015-05-12