基于SiC的裂變靶室中子靈敏度標定技術(shù)

陳 亮， 劉金良， 劉林月， 張顯鵬， 張忠兵， 歐陽曉平， 阮金陸， 金 鵬， 何世熠

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024; 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024)

裂變靶室中子探測系統(tǒng)利用半導體探測器收集中子與裂變材料作用產(chǎn)生的裂變碎片實現(xiàn)中子探測[1]，對裂變主能區(qū)中子能量響應較為平坦，同時具有較高的n/γ分辨能力、較快的時間響應，且中子靈敏度在較寬的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，在脈沖裂變中子總數(shù)測量中具有非常重要的應用價值[2]。傳統(tǒng)的裂變靶室采用Si-PIN探測器從側(cè)面收集裂變碎片，受Si-PIN探測器直照響應及耐輻照能力的限制，裂變靶室系統(tǒng)在中子靈敏度標定和實際應用中面臨信噪比低、屏蔽難度大、器件易受輻照損傷等一系列問題。在裂變靶室系統(tǒng)中子靈敏度標定實驗中，為避免Si-PIN探測器被高強度的中子直接照射，不得不采用體積龐大的準直器和屏蔽體，裂變靶與加速器靶頭之間的距離比較遠，導致測點注量率下降很多。此外，中子與準直器作用會在束流通道上形成大量的散射中子，這部分散射中子與裂變靶作用形成干擾信號，很難從實驗上準確扣除，導致裂變靶室系統(tǒng)中子靈敏度標定精度難以提高，低靈敏裂變靶室的中子靈敏度精確標定問題一直未能得到很好解決[3-4]。

為克服Si-PIN探測器存在的問題，西北核技術(shù)研究所研制了基于寬禁帶半導體探測器SiC的新型裂變靶室中子探測系統(tǒng)[5-7]。與Si器件相比，SiC器件耐高壓、耐輻照、暗電流低。此外，通過控制SiC探測器的靈敏層厚度，可以保證裂變碎片能量全部沉積，并降低器件對中子、γ的直照響應。采用SiC探測器的新型裂變靶室不僅大幅度提高了系統(tǒng)的抗輻照能力，而且使系統(tǒng)器件的抗直照干擾能力提高了近一個量級。得益于器件耐輻照能力的提高和直照本底的降低，基于SiC的裂變靶室中子靈敏度標定可以在沒有屏蔽體的條件下進行，不僅簡化了實驗過程，而且縮短了裂變靶與加速器靶頭之間的距離，使裂變靶室系統(tǒng)的可標定下限得到拓展。此外，散射本底干擾可以通過擋影錐的方法準確測量和扣除，使得中子靈敏度標定精度也得到提高。低靈敏裂變靶室系統(tǒng)的中子靈敏度精確標定問題在一定程度上得以解決，本文主要對相關標定技術(shù)進行研究和討論。

1 標定原理和方法

根據(jù)裂變靶室系統(tǒng)的工作原理，裂變靶室系統(tǒng)的中子靈敏度S(En)可表示為

(1)

2 實驗過程

圖1 2×2陣列SiC探測器照片F(xiàn)ig.1 Photograph of the 2×2 array SiC detector

高壓倍加器的實驗布局如圖2所示。裂變靶與SiC探測器放置在同一個真空腔室內(nèi)。裂變靶處在加速器靶頭0°方向，垂直于束流，與加速器靶頭之間的距離約為50 cm。SiC探測器在與束流成45°方向收集裂變碎片，探測器中心與裂變靶中心的距離為10 cm。SiC探測器信號經(jīng)前放、主放后，由多道記錄。中子產(chǎn)額通過155°伴隨α金硅面壘探測器在線監(jiān)測。測點中子注量根據(jù)Φ(En)=KNα-155°/4πL2計算，其中，K=1.251×107；Nα-155°為伴隨α計數(shù)；L為裂變靶與加速器靶頭之間的距離，cm。高壓倍加器采用水冷TiT靶，D+離子直接轟擊TiT靶產(chǎn)生D-T中子。D+離子加速電壓為300 kV，加速器靶頭0°方向輸出的D-T中子平均能量為14.9 MeV。實驗通過擋影錐的方法扣除散射本底，具體過程是：首先在標定靶室和加速器靶頭之間放置擋影錐，測量獲得單位注量中子產(chǎn)生的裂片碎片數(shù)目，該結(jié)果主要是環(huán)境散射中子的貢獻；然后去掉擋影錐重新測量，得到的結(jié)果包含了凈信號和散射中子貢獻；最后將兩組數(shù)據(jù)相減，即可獲得系統(tǒng)對D-T中子的絕對探測效率。此外，實驗前利用237Np、243Am和244Cm三個不同能量的α源對SiC探測器的多道測量系統(tǒng)進行了能量線性刻度，刻度結(jié)果如圖3所示。

圖2 高壓倍加器實驗布局示意圖Fig.2 Layout of the CPNG experiment

圖3 多道系統(tǒng)線性刻度結(jié)果Fig.3 Linear calibration of the multi-channel analyzer system

利用西安脈沖反應堆的水平徑向孔道進行實驗測量，實驗照片如圖4所示。中子經(jīng)過厚度為20 cm的含硼聚乙烯和厚度為8 cm的鉛準直限束后入射到裂變靶片上，保持電子學系統(tǒng)連接狀態(tài)和參數(shù)設置與高壓倍加器實驗條件完全一致。標定235U靶時，反應堆運行功率為100 kW，標定238U靶時反應堆功率為2 MW。每次實驗，先將反應堆功率提升到預定值，然后打開水平徑向孔道，開始測試，當脈沖幅度譜到達一定計數(shù)后，關閉水平徑向孔道。

圖4 西安脈沖反應堆實驗照片F(xiàn)ig.4 Photograph of the experiment on the Xi’an pulsed reactor

3 實驗結(jié)果分析

圖5為CPNG上實測的典型裂變碎片幅度譜。其中，圖5(a)為235U裂變靶的實測結(jié)果，包含了正常條件下的信號譜以及擋影錐條件下的本底譜，每條譜線的測量時間約為3 h。由于總計數(shù)有限，各道計數(shù)的統(tǒng)計起伏比較大，得到的裂變碎片幅度譜輪廓特征并不明顯。圖5(a)中信號和本底裂變碎片總計數(shù)分別為4 016和1 235，對應的伴隨α計數(shù)分別為10 870 773和10 881 217，散射本底約占總信號的1/3?？鄢镜赘蓴_后得到235U-9#裂變靶與SiC探測器組合對14.9 MeV中子的探測效率為3.01×10-7。Nf引入的不確定度小于2%，基本滿足標定需求。從圖5(b)可以看出，盡管238U-3#和238U-4#裂變靶的鈾面密度有所不同，分別為0.568 mg·cm-2和0.697 mg·cm-2，但兩片238U裂變靶的幅度譜形差異并不明顯；238U裂變靶與235U裂變靶的實測幅度譜形非常相似。由于238U對中子響應存在閾能，環(huán)境散射低能中子與238U裂變靶形成的本底干擾比235U裂變靶明顯減少，擋影錐條件下散射帶來的計數(shù)僅占總信號的約1/10。

(a) 235U target

(b) 238U target

圖5CPNG上實測的裂變碎片幅度譜
Fig.5PulseheightspectraofthefissionfragmentmeasuredontheCPNG

綜合上述實驗結(jié)果，可以計算得到不同鈾裂變靶與SiC探測器組成的裂變靶室系統(tǒng)對14.9 MeV單能中子的響應靈敏度，如表1所列。實驗測量中子靈敏度的相對標準不確定度為7.5%(k=1)，主要包括散射本底、幅度譜中低能干擾、加速器源等引入的不確定度。裂變靶厚度的增加，雖然能夠提高探測效率和靈敏度，但是等效平均能量隨靶厚度而降低，低能干擾對裂變碎片幅度譜的干擾也會增加，導致中子靈敏度標定不確定度增大。為保證測量精度，本文將裂變靶面密度控制在0.8 mg·cm-2以下。

(a) 235U-9# target

(b) 238U target

圖6 西安脈沖反應堆上實測的裂變碎片幅度譜Fig.6 Pulse height spectra of the fission fragment measured on the Xi’an pulsed reactor

同時，上述實驗表明，基于SiC裂變靶室系統(tǒng)的中子實驗可以在沒有準直器和屏蔽體的條件下進行，裂變靶位置處的中子強度較有準直器和屏蔽體的情形提高一個量級以上，低靈敏裂變靶室系統(tǒng)的可標定下限提高一個量級以上，同時，散射本底的影響可以通過擋影錐的方法進行準確測量和扣除，使中子靈敏度標定結(jié)果的精度顯著提高。

4 結(jié)論

根據(jù)裂變靶室系統(tǒng)工作原理，提出了對中子探測效率與等效平均能量分別進行實驗測量，再合成得到中子靈敏度的方法。分別利用高壓倍加器和西安脈沖反應堆開展了實驗測量，得到了SiC器件與不同裂變靶組合的14.9 MeV中子靈敏度及其相對標準不確定度為7.5%(k=1)，很好地滿足了裂變靶室在脈沖中子測量領域中的應用需求。

致謝

感謝中國原子能科學研究院物理所中子發(fā)生器組陳洪濤等提供的中子束流和實驗保障。

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