用于CSNS反角白光中子能譜及注量率測(cè)量的快裂變室

欒廣源 王 琦 鮑 杰 阮錫超 任 杰 敬罕濤 張 凱 黃翰雄

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)院高能物理研究所 北京 100049）

3（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523803）

用于CSNS反角白光中子能譜及注量率測(cè)量的快裂變室

欒廣源1王 琦1鮑 杰1阮錫超1任 杰1敬罕濤2,3張 凱1黃翰雄1

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)院高能物理研究所 北京 100049）

3（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523803）

即將建成的中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)反角白光中子束線可為核數(shù)據(jù)測(cè)量提供高注量率的脈沖白光中子束流，填補(bǔ)我國(guó)核數(shù)據(jù)測(cè)量用白光中子源的空白，提高我國(guó)核數(shù)據(jù)測(cè)量水平，滿足核能、核技術(shù)及基礎(chǔ)核物理研究對(duì)核數(shù)據(jù)的需求。該束線建成后，其中子能譜及注量率的精確測(cè)量將是開展其它物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，快裂變電離室因其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)被選為中子能譜和注量率測(cè)量探測(cè)器。通過實(shí)驗(yàn)研究了快裂變電離室的粒子分辨性能、時(shí)間分辨性能；確定陰、陽極的合理間距為10 mm，據(jù)此測(cè)得電離室的時(shí)間分辨約15 ns；利用235U樣品量計(jì)算的探測(cè)效率與利用伴隨粒子法給出的探測(cè)效率在不確定度范圍內(nèi)符合，因此可以標(biāo)定快裂變室的探測(cè)效率。通過這些工作，完成了滿足反角白光中子束能譜及注量率測(cè)量需求的快裂變室的物理設(shè)計(jì)。

裂變電離室，中國(guó)散裂中子源，白光中子源，中子飛行時(shí)間法

能區(qū)從eV至幾十MeV甚至上百M(fèi)eV的各種中子反應(yīng)截面是先進(jìn)核能技術(shù)、核天體物理、基礎(chǔ)物理及國(guó)防科技研究中用到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)[1?4]。國(guó)際上自20世紀(jì)80年代以來，基于中高能強(qiáng)流脈沖質(zhì)子加速器的散裂中子源已成為開展各種高水平中子核數(shù)據(jù)測(cè)量的重要手段[5?6]。在建的中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)[7?8]是我國(guó)一個(gè)大型綜合科學(xué)研究平臺(tái)，該中子源具備開展核數(shù)據(jù)測(cè)量所需的高強(qiáng)度、窄脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)、寬中子能區(qū)等特點(diǎn)，非常適合開展先進(jìn)核能技術(shù)、核天體物理、國(guó)防科技等研究所急需的許多中子核數(shù)據(jù)的測(cè)量工作。將于 2017年建成的中國(guó)散裂中子源CSNS的反角白光中子束線 Back-n[9]，當(dāng)質(zhì)子束流功率為100 kW時(shí)，可以在距靶80 m處提供注量率為9.25×106cm?2·s?1、時(shí)間分辨為 0.3%?0.9%（2MeV以下能區(qū)）的脈沖中子束，為我國(guó)開展全能區(qū)尤其是共振區(qū)的核數(shù)據(jù)測(cè)量提供了很好的契機(jī)。中子能譜及注量率測(cè)量實(shí)驗(yàn)將是CSNS Back-n建成后的首要實(shí)驗(yàn)，它是在Back-n上進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，精確的中子能譜及注量率對(duì) Back-n具有非常重要的意義。

CSNS Back-n的中子能譜及注量率借鑒了CERN (European Organization for Nuclear Research)n_TOF (The neutron time-of-flight facility)等的中子能譜及注量率測(cè)量經(jīng)驗(yàn)[5?10]，基于不同的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)，采用多種探測(cè)器分能區(qū)進(jìn)行測(cè)量。其中，基于235U和238U裂變反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)截面可以給出 1eV?200MeV能區(qū)的束流能譜及注量率。

在裂變電離室中，自發(fā)衰變?chǔ)亮Ｗ优c裂變碎片均可將氣體電離，產(chǎn)生的電子向正高壓方向飄移，被收集極收集。通常，自發(fā)裂變 α粒子的能量(4?5MeV)小于裂變碎片的能量（幾十MeV）。在理想條件下，自發(fā)裂變?chǔ)亮Ｗ优c裂變碎片能量被全部收集，則在裂變室測(cè)得的能譜中，裂變碎片峰與 α粒子峰將很容易區(qū)分。但裂變室中，帶電粒子在工作氣體中沉積的能量與極板間距、工作電壓、氣體成分、工作氣體氣壓等因素有關(guān)。極板間距越小，裂變室的上升時(shí)間越快，時(shí)間特性越好，但帶電粒子能量不能完全沉積；極板間距越大，裂變室中帶電粒子能量完全沉積的概率越大，但是裂變室的時(shí)間特性會(huì)相對(duì)變差。

在CSNS Back-n的能譜及注量率測(cè)量中，裂變室不僅需要通過裂變發(fā)生的次數(shù)來確定中子注量率，還需要通過裂變發(fā)生的時(shí)間和根據(jù)飛行時(shí)間法獲得中子能譜。因此，需要在保證裂變碎片-α粒子分辨的同時(shí)，盡可能提高裂變室的時(shí)間分辨，以保證測(cè)得盡可能精確的中子飛行時(shí)間，從而獲得精確的中子束流能譜。

本文首先研制了一個(gè)235U裂變室模型，利用中國(guó)原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器，通過D-T反應(yīng)產(chǎn)生的14.8 MeV單能中子，分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了裂變室的粒子分辨能力、時(shí)間分辨與探測(cè)效率，確定了裂變室的最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，由此確定了用于CSNS Back-n中子束能譜及注量率測(cè)量的235U及238U裂變電離室設(shè)計(jì)的物理參數(shù)。

1 裂變室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

裂變室模型主要由靶片、收集極、外殼、絕緣部件、導(dǎo)線、進(jìn)出氣孔等部分組成，如圖1所示。裂變室模型采用銅質(zhì)的外殼和收集極。靶片基板為厚0.2 mm、直徑32 mm的鉑金板，鍍層活性區(qū)直徑為20 mm，富集鈾鍍層總量為832.97 μg，富集鈾成分見表 1。收集極與靶片基板間、靶片基板與外殼間均用絕緣材料隔開，通過改變絕緣墊片的厚度來控制靶片與收集極之間的距離，即極板間距。靶片接地，收集極與ORTEC-142B前置放大器相連，接400 V正高壓。裂變室采用流氣式設(shè)計(jì)，工作氣體為氬甲烷P10（甲烷10%，氬氣90%）。

圖1 測(cè)試用裂變室示意圖Fig.1 Schematic diagram of the testing fission chamber.

表1 富集鈾成分Table 1 Enrichment of uranium.

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 裂變室的粒子分辨性能測(cè)試

在高壓倍加器直靶管真空管道末端安裝氚鈦靶，氚鈦靶與束流方向成 45°角，裂變室與氚靶平行放置，裂變室中的靶片距離氚靶1.5 cm。根據(jù)核反應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)，D-T反應(yīng)在 45°角方向上出射的中子能量為14.7 MeV。在進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)試時(shí)，高壓倍加器采用直流束運(yùn)行模式。

實(shí)驗(yàn)電子學(xué)如圖 2所示。裂變室收集極與ORTEC-142B型前置電荷靈敏放大器相連，前放的能量信號(hào)（E信號(hào)）輸出到ORTEC-672型放大器，放大50倍后輸出到多道分析儀，多道分析儀與PC相連，通過PMCA軟件記錄能譜數(shù)據(jù)。

圖2 裂變室能譜測(cè)量電子學(xué)Fig.2 Electronics layout for the measurement of fission chamber energy spectrum.

2.2 裂變室的時(shí)間分辨測(cè)量

實(shí)驗(yàn)使用高壓倍加器產(chǎn)生的脈沖中子束，脈沖束頻率1.5 MHz，每脈沖半高寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)為2?3 ns，高壓倍加器極短的脈沖 FWHM 對(duì)裂變室時(shí)間分辨測(cè)量影響極小，可以忽略。實(shí)驗(yàn)布局與§2.1相同，但記錄的是裂變室裂變信號(hào)與高壓倍加器脈沖拾取信號(hào)（Pick-up信號(hào)）之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)譜。該實(shí)驗(yàn)的電子學(xué)如圖3所示。裂變室與ORTEC-142B型前置放大器相連，前放的時(shí)間信號(hào)（T信號(hào)）輸出到CFD (Constant Fraction Discriminator)定時(shí)，通過設(shè)置 CFD的閾值過濾掉235U自發(fā)衰變的α信號(hào)，再輸入到TAC (Time-to-Amplitude Converter)做飛行時(shí)間關(guān)聯(lián)譜的起始信號(hào)；加速器脈沖拾取信號(hào)通過ORTEC -VT120快放大器放大后輸入到另一個(gè)CFD定時(shí)，再送入TAC作為時(shí)間關(guān)聯(lián)譜的停止信號(hào)。TAC采用ORTEC的567，量程設(shè)置為800 ns。

圖3 裂變室時(shí)間分辨測(cè)量的電子學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Electronics diagram for the measurement of fission chamber time resolution.

2.3 裂變室探測(cè)效率測(cè)試

使用伴隨粒子法測(cè)定了裂變室探測(cè)效率。氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的中子與 α粒子之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在入射氘束能量和方向已知的情況下，測(cè)定一定立體角內(nèi)出射的伴隨α粒子數(shù)，根據(jù)核反應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)即可得到相應(yīng)立體角內(nèi)出射的中子數(shù)；結(jié)合裂變室計(jì)數(shù)率即可得到裂變室探測(cè)效率。

實(shí)驗(yàn)布置如圖4所示。使用高壓倍加器直管道上氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的直流束，裂變室固定在沿束流0°角方向上距離氚靶15 cm處。伴隨靶管與氘束流成135°角，伴隨粒子探測(cè)器使用金硅面壘探測(cè)器，距離氚靶90 cm。

圖4 伴隨粒子法測(cè)裂變室探測(cè)效率實(shí)驗(yàn)布局Fig.4 Experimental layout for the measurement of fission chamber detection efficiency.

裂變室探測(cè)效率測(cè)量實(shí)驗(yàn)的電子學(xué)如圖 5所示，在圖2裂變室能譜測(cè)量電子學(xué)的基礎(chǔ)上，增加了一路伴隨α測(cè)量的電子學(xué)。

圖5 裂變室探測(cè)效率測(cè)量電子學(xué)Fig.5 Electronics diagram for the measurement of fission chamber detection efficiency.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 裂變室的粒子分辨性能

§2.1所描述的實(shí)驗(yàn)測(cè)定了裂變室在極板間距為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm時(shí)的能譜，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在極板間距離較小時(shí)，裂變室能譜整體偏低，裂變碎片能量分布較為集中，并有較大部分與235U的α衰變能譜混合在一起，很難區(qū)分開來；隨著極板間距離的增大，裂變碎片峰與 α峰逐漸區(qū)分開來，裂變碎片的峰谷比越來越高；在235U裂變室極板間距達(dá)到10 mm時(shí)，裂變碎片峰與α衰變峰之間的距離較大，峰谷比較高，容易區(qū)分，可以較為精確地統(tǒng)計(jì)裂變事件。

圖6 不同極板間距下235U裂變室的能譜Fig.6 Energy spectra of the fission chamber with various distance between the cathode and anode.

能譜峰谷比與極間距的關(guān)系見圖 7。極間距的增大會(huì)導(dǎo)致裂變室時(shí)間分辨的下降，10 mm的極板間距已經(jīng)足夠滿足裂變信號(hào)-α粒子分辨的需要，因此更大的極板間距沒有必要。

圖7 裂變信號(hào)的峰谷比Fig.7 Peak-to-valley ratio of the energy spectra with various distance between the cathode and anode.

需要注意的是，由于裂變碎片能量未能完全沉積在工作氣體中，圖6中裂變室能譜與235U裂變碎片能譜并不完全相同，觀察不到235U裂變碎片能譜中的雙峰。使用裂變室測(cè)量束流能譜時(shí)，中子的能量由飛行時(shí)間法給出，裂變室僅用來給出裂變事件的發(fā)生時(shí)間和概率。因此，裂變室中裂變碎片能量不完全沉積對(duì)束流能譜測(cè)量影響較小。

3.2 裂變室的時(shí)間分辨

在確定了裂變室極板間距的基礎(chǔ)上，利用高壓倍加器產(chǎn)生的脈沖中子束，測(cè)得235U裂變室在極板間距為10 mm時(shí)裂變室模型輸出信號(hào)與Pick-up信號(hào)的時(shí)間關(guān)聯(lián)譜如圖8所示。裂變室與氚靶靶頭間的距離為1.5 cm，中子飛行時(shí)間約為0.282 8 ns，可以忽略。使用示波器測(cè)得裂變室模型輸出信號(hào)的上升時(shí)間約為30 ns。裂變信號(hào)峰的FWHM為30.36道，根據(jù)TAC道寬計(jì)算得到時(shí)間分辨為14.7 ns。該時(shí)間分辨主要來自兩方面的貢獻(xiàn)，脈沖束脈沖寬度和探測(cè)器的時(shí)間分辨，其中脈沖束寬度為2?3 ns，對(duì)時(shí)間分辨的貢獻(xiàn)很小，因此可以認(rèn)為測(cè)得的時(shí)間分辨即是探測(cè)器的時(shí)間分辨。

圖8 235U裂變室模型輸出信號(hào)與Pick-up信號(hào)的時(shí)間關(guān)聯(lián)譜Fig.8 Time correlation of pick-up signal with the output signal of fission chamber model.

CSNS Back-n所用的脈沖質(zhì)子束的脈沖FWHM約為30 ns，因此中子的產(chǎn)生時(shí)間具有30 ns的不確定性，如果忽略中子在散裂靶里的時(shí)間分散，根據(jù)誤差傳遞公式，考慮裂變室時(shí)間分辨與脈沖束流FWHM后，由式(1)算得總時(shí)間分辨為33.4 ns。

中子通過一段固定距離L所需要的時(shí)間t由式(2)（不考慮相對(duì)論效應(yīng)）求得。

式中：E為能量，MeV；L為飛行距離，m；t為飛行時(shí)間，ns。

用飛行時(shí)間法測(cè)能譜時(shí)，所得能量的相對(duì)分辨率由式(3)給出。由于 L可以精確測(cè)定，且ΔL與 L的比值非常小，因此束流監(jiān)視系統(tǒng)的能量分辨率ΔE/E主要取決于Δt/t。

由式(1)?(3)可知，使用裂變室配合中子飛行時(shí)間法測(cè)量束流能譜時(shí)最主要的影響因素是 CSNS Back-n所用脈沖質(zhì)子束的脈沖FWHM。

裂變室在距離靶80 m處的時(shí)間分辨率隨中子能量的變化曲線由圖9所示，在1 keV以下能區(qū)，裂變室用飛行時(shí)間法測(cè)中子飛行時(shí)間分辨率小于0.02%，在1?100 keV能區(qū)，裂變室時(shí)間分辨率小于0.18%，在0.1?2 MeV能區(qū)，裂變室時(shí)間分辨率小于0.82%。

圖9 裂變室測(cè)中子飛行時(shí)間的分辨率Fig.9 Time resolution of the fission chamber measured by neutron time-of-flight.

3.3 裂變室探測(cè)效率

235U(n,f)反應(yīng)一般產(chǎn)生兩個(gè)出射方向相反的裂變碎片，裂變室中裂變碎片出射方向與靶片夾角較小時(shí)，兩個(gè)碎片都可能沉積在靶中而無法被探測(cè)到。因此裂變室探測(cè)效率如式(4)所示，與靶核數(shù)N、裂變截面σf(E)、對(duì)裂變碎片的探測(cè)效率εf有關(guān)，其中εf小于100%。通過伴隨粒子法可以推導(dǎo)出中子注量率φ，結(jié)合裂變室計(jì)數(shù)率 Nf，也可以得到裂變室的探測(cè)效率。

裂變室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退玫陌衅嵌喾N核素的混合物，所以：

由式(4)、(5)可知，裂變室對(duì)不同能量中子有不同的探測(cè)效率。裂變室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，每種核素的裂變截面對(duì)裂變室探測(cè)效率均有影響，但在1 MeV以下能區(qū)，235U的裂變截面對(duì)探測(cè)效率的影響更為明顯。使用高純度235U或238U靶片時(shí)，裂變室對(duì)不同能量中子的探測(cè)效率與235U、238U的中子誘發(fā)裂變截面一致，測(cè)得裂變室一個(gè)或幾個(gè)能量中子的探測(cè)效率后，即可推導(dǎo)出裂變室對(duì)其他能量中子的探測(cè)效率。但用于實(shí)驗(yàn)的裂變室建成后必須采用多能點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行效率校準(zhǔn)，因?yàn)檫@里只是對(duì)裂變室的模型進(jìn)行研究，以確定正式裂變室的設(shè)計(jì)參數(shù)，所以只采用了一個(gè)能點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)中，裂變室能譜與伴隨α能譜的測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行的。根據(jù)伴隨靶管的結(jié)構(gòu)，計(jì)算出中子產(chǎn)額Y與伴隨α計(jì)數(shù)Nα的比值為：

金硅面壘探測(cè)器在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得伴隨α粒子計(jì)數(shù)率Nα=1738.08 s?1，因此D-T反應(yīng)中子產(chǎn)額為：

0°方向的微分截面值 δ(0)=0.336 b，總截面值δ(tot)=3.984 b。0°方向中子產(chǎn)額為：

距離靶頭15 cm處0°角上的中子注量率為：

實(shí)驗(yàn)測(cè)得裂變室放置于距離靶頭15 cm處0°角時(shí)的計(jì)數(shù)率Nf= 4.204 s?1。因此裂變室實(shí)際探測(cè)效率為：

實(shí)驗(yàn)中氘束被加速到0.3 MeV，與氚反應(yīng)的氘平均能量為0.15 MeV，根據(jù)加速器單能中子源常用數(shù)據(jù)手冊(cè)[11]，沿束流 0°角方向出射的中子能量為14.9605MeV。根據(jù)靶片鍍層數(shù)據(jù)（表1），由式(4)、(5)計(jì)算得到：

中子能量為14.96 MeV時(shí)，裂變室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞綔y(cè)效率的測(cè)試值（式(10)）與理論值（式(11)）相差0.415%。

在實(shí)驗(yàn)與計(jì)算過程中存在的不確定度來源如表2所示，可見探測(cè)效率的實(shí)驗(yàn)值與理論值在不確定度值范圍內(nèi)符合。裂變室計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)不確定度與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝定位精度是最主要的不確定度來源，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中增加測(cè)量時(shí)間可以減少裂變室計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)不確定度，在CSNS Back-n上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，裂變室與散裂靶之間的距離比較遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝定位精度更高，安裝定位引起的不確定度將大幅降低。

表2 裂變室探測(cè)效率計(jì)算過程不確定度來源Table 2 Source of uncertainty in the efficiency calculation of fission chamber.

中國(guó)散裂中子源反角白光中子束線可以在距靶80 m 處提供注量率為 9.25×106cm?2·s?1的中子束，為提升裂變室數(shù)據(jù)獲取速度，需要提高裂變室探測(cè)效率，也即是提高裂變室中靶物質(zhì)的量。采用多層快裂變室可以在不降低裂變室時(shí)間分辨的前提下，達(dá)到提升裂變室數(shù)據(jù)獲取速度的效果。為散裂源設(shè)計(jì)的多層裂變電離室如圖10所示，計(jì)劃使用鍍層厚度為280 μg·cm?2、鍍層活性區(qū)直徑40 mm的高純度235U和238U靶片；采用10 mm極板間距時(shí)，多層裂變室可以安裝4片靶片；結(jié)合中子源強(qiáng)度和根據(jù)文獻(xiàn)[9]的能譜分布，模擬計(jì)算得出裂變室中每塊235U靶片對(duì)1 eV?200 MeV中子的平均探測(cè)效率約為 1.8×10?5，裂變碎片計(jì)數(shù)率約 170 s?1；每塊238U靶片對(duì) 1 eV以上中子的平均探測(cè)效率約為4.3×10?6，裂變碎片計(jì)數(shù)率約 40 s?1。在測(cè)量 CSNS Back-n不同能區(qū)的能譜時(shí)，可以根據(jù)需要調(diào)整裂變室中靶片的比例；在測(cè)量注量率時(shí)，使用235U和238U靶片各兩片。這樣，裂變室在用作中子束流流強(qiáng)監(jiān)測(cè)時(shí)，30 s就可以給出精度在1%內(nèi)的中子束流強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

圖10 多層裂變室示意圖Fig.10 Schematic diagram of multilayer fission chamber.

4 結(jié)語

本文根據(jù)中國(guó)散裂中子源反角白光中子束線中子能譜及注量率測(cè)量的需求，設(shè)計(jì)了用于裂變室性能測(cè)試的235U快裂變室模型，得出如下結(jié)論：

1) 極板間距為10 mm時(shí)，裂變室的粒子分辨能力可以滿足能譜測(cè)量的需要；此時(shí)裂變室的時(shí)間分辨為 14.7 ns，與中國(guó)散裂中子源反角中子束線30ns的脈沖時(shí)間FWHM相比，裂變室的時(shí)間分辨對(duì)反角中子束線能譜測(cè)量的影響很?。?/p>

2) 使用伴隨粒子法測(cè)量了裂變室模型的探測(cè)效率，結(jié)果與理論值一致；

3) 考慮中國(guó)散裂中子源反角中子束線注量率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，采用多層快裂變室的設(shè)計(jì)提高了裂變室探測(cè)效率，30 s即可給出不確定度為1%的中子注量率。設(shè)計(jì)的235U、238U多層快裂變室可同時(shí)滿足中國(guó)散裂中子源反角中子束線能譜測(cè)量與注量率監(jiān)測(cè)的需求。

致謝 實(shí)驗(yàn)過程中得到了中國(guó)原子能科學(xué)研究院核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓倍加器運(yùn)行組陳紅濤研究員、趙芳高級(jí)工程師的大力支持，在此表示感謝。

1 Koning A J, Blomgren J, Jacqmin R, et al. Nuclear data for sustainable nuclear energy - final report of a coordinated action on nuclear data for industrial development in Europe[R]. Belgium: European Communities, Joint Research Centre Institute for Reference Materials and Measurements, 2009: 25. DOI:10.2787/14636.

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Physical design of fast fission chamber for neutron spectrum and flux measurement at the CSNS backstreaming white neutron source

LUAN Guangyuan1WANG Qi1BAO Jie1RUAN Xichao1REN Jie1JING Hantao2,3ZHANG Kai1HUANG Hanxiong1
1(Key Laboratory of Nuclear Data, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(Dongguan Neutron Science Center, Dongguan 523803, China)

Background: The backstreaming white neutron source (Back-n) of China spallation neutron source(CSNS) will provide pulsed white neutron beam with a high fluence rate for nuclear data measurement. The accurate measurement of the neutron spectrum and fluence rate after the Back-n’s completion will be the basis of the following physical experiments. Purpose: This study aims to design a fast fission chamber for the CSNS Back-n flux measuring and monitoring system. Methods: The detector performance including time resolution, particle distinction anddetection efficiency was studied by experiments. Based on the study, the parameters of the fission chamber were determined, and its detection efficiency calculated by the235U sample quantity was compared with that measured by concomitant particle method. Results: Considering the particle distinction, the distance between the anode and the target of the fission chamber was determined as 10 mm, the time resolution of the fission chamber was measured to be about 15 ns. The deviation of calculated detection efficiency from the measurement was in the range of 5%.Conclusion: According to the detection efficiency and the demand of the neutron flux monitoring, the quantity of the uranium for the fast fission chamber can be determined. With appropriate parameters, the fast fission chamber can be used in CSNS Back-n flux measuring and monitoring.

LUAN Guangyuan, male, born in 1990, graduated from China Institute of Atomic Energy with a master’s degree in 2017, major in particle physics and nuclear physics, engaged in neutron detectors and applications

BAO Jie, E-mail: baojie@ciae.ac.cn

date: 2017-02-07, accepted date: 2017-03-19

Fission chamber, CSNS, White neutron source, Neutron time-of-flight facility

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110501

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No.2016YFA0401601)、核數(shù)據(jù)專項(xiàng)基金(No.3210401)資助

欒廣源，男，1990年出生，2017年于中國(guó)原子能科學(xué)研究院獲碩士學(xué)位，粒子物理與原子核物理專業(yè)，從事中子探測(cè)器及其應(yīng)用研究

鮑杰，E-mail: baojie@ciae.ac.cn

2017-02-07，

2017-03-19

Supported by National Key Research Program of China (No.2016YFA0401601), the Special Foundation for Nuclear Data (No.3210401)