測量天然鎳(n,xα)反應α粒子發(fā)射的能譜和角分布解析

1、第33卷第3期1999年5月原子能科學技術AtomicE nergyScie ncea ndTech nology.33,No.3VolMay1999測量天然鎳（n,x A中國科學技術大學近代物理系，合肥,230027）反用中國科學技術大學的多路望遠鏡系統(tǒng)測量了天然鎳在1416MeV中子能量下的（n,x A應發(fā)射A粒子的雙微分截面。使用多重二維粒子鑒別技術有效地鑒別了p、A粒子和X射線;使用厚靶技術提高了事件率、減少了統(tǒng)計誤差。測量了從2415。165的16個反應角，并由此得到了 A粒子的角度積分能譜、角分布和總發(fā)射截面， 并與美國B26庫評價結果和其它實驗小組結果進行了比較。關鍵詞14MeV

2、中子天然鎳雙微分截面多路望遠鏡系統(tǒng)中圖法分類號0571.434 O571.435測量強中子場中結構材料的帶電粒子發(fā)射反應數(shù)據(jù)在設計聚變堆中具有重要意義。結構材料內(nèi)部在強中子的照射下將發(fā)生變異，并產(chǎn)生氫氣和氦氣泡，直接影響 結構材料的使用壽命。帶電粒子的能譜和角分布在核理論模型計算和核數(shù)據(jù)評價 中也相當重要。目前國際上能夠測量帶電粒子發(fā)射的實驗小組僅有幾家，所測得的實驗數(shù)據(jù)很少，對某些反應各家的數(shù)據(jù)存在較大差異，一些重要的核素甚至無可用 的實驗數(shù)據(jù)。世界各大數(shù)據(jù)庫的評價數(shù)據(jù)差異也較大1。國際原子能委員會要求加強這方面的工作，特別是A粒子發(fā)射核數(shù)據(jù)的測量和評價工56nat58nat作，組織了 IA

3、EA協(xié)調(diào)研究項目（CRP），主要目標是測量Fe、Fe、Ni和Ni 等核的A粒子發(fā)射雙微分截面2。為了達到這個目的，最近國際上一些研究機構開始加強這方面的工作。日本的大阪 大學3、東北大學4和美國的LosAlamos實驗室都建立了專門的探測系統(tǒng)，用 于測量帶電粒）反應的A粒子子發(fā)射的能譜和角分布，北京大學在5113MeV能點用屏柵電離室對 58Ni（n, A能譜和角分布進行了測量研究6。中國科技大學的測量小組專門設計了1套用于測量帶電粒子發(fā)射的多路望遠鏡系統(tǒng)7,該系統(tǒng)可以同時測量2415165的16個反應角 并 可以同時測量反應譜和本底譜。系統(tǒng)使用多重二維粒子分辨技術，可以有效地分辨帶電粒子和X

4、射線。使用厚靶技術既提高了事件率，又減少了本底的影響；提高了 能譜高能端的可靠性，同時也減少了統(tǒng)計誤差。從1992年至今，本工作已經(jīng)測量了 一些結構材料的質(zhì)子發(fā)射的能譜和角分布，如3中國科學技術大學青年基金資助項 目葉邦角:男,36歲,核物理與核技術專業(yè)，副教授收稿日期:1997212204 收到修改稿日期：199820322719493原子能科學技術第 33卷8nat9nat1011Nb(n,xp)、Fe(n,xp)、Ni(n,xp)和不銹鋼的(n,xp)反應?，F(xiàn)在本工作將第1次進行A粒子發(fā)射的雙微分截 面的測量，以獲得A粒子發(fā)射的能譜和角分布，并由此得到A粒子的總發(fā)射截面。 1實驗12。外

5、32損失信號,？，每1根陽極絲對應于1個反應角。，用于打開線性門電路 對信號進行在線選擇，不致使前端電路產(chǎn)生嚴重的脈沖堆積。中心Csl(TI)探測器除了產(chǎn)生能量信號外，還產(chǎn)生脈沖形狀分辨信號，用于鑒別粒子13 o 由于A粒子在多絲室中的能量損失較大，因此多絲室的工作電壓不需要太高，故選 擇-620V。系統(tǒng)采用95%A葉5%CO2混合氣體，工作氣壓為100Pa采用流氣式工作 模式。輻照時，中心探測CsI(Tl)晶體的直徑為25.4mm厚度為1mm,足以停止最大能量的 A粒子。器用厚為20cm的鐵屏蔽，天然鎳靶的尺寸為0.5mmx40mM 289mm,正好覆蓋16 個反應室,鉛箔作為襯底，無靶的半

6、邊也采用鉛箔同時測量本底，這是因為鉛有極小 的A粒子產(chǎn)生截面(1 X10-27cm2)。系統(tǒng)放置時，使CsI(Tl)的中心與T2Ti中子源 的距離為400mm,整個系統(tǒng)在強度為3X109s-1的中子場中輻照大約120h。中子通 量由伴隨A粒子法測量。多絲室內(nèi)用于本底測量的1個室中裝有弱241AnA源，用于監(jiān)測整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時由多個單道定標器監(jiān)測各重要參數(shù)的計數(shù)穩(wěn)定 性。當輻照進行到大約一半時，靶轉動180。,以消除可能由幾何不對稱造成的影 響。)核反應事件，有5整個數(shù)據(jù)采集工作用智能CAMAC機箱控制器控制。對每1個 (n,x A個參數(shù)被同時記錄下來，并按一定的格式存儲在 CAMAC控制

7、器的緩沖區(qū)中。即能 量損失？E信號、絲地址信號、能量E信號、脈沖形狀分辨PSD信號和帶電粒子 從外層絲到中心探測器的飛行時間 TOF信號。由于5個參數(shù)到達ADC的時間略有差別，采用峰保持器使五 參數(shù)同步地被記錄在機箱控制器的緩沖區(qū)中。當緩沖區(qū)記滿或采集完成時，數(shù)據(jù)自動傳輸給計算機。在線計算機能監(jiān)控整個工 作系統(tǒng)，并能顯示各絲的采集狀況、直方圖 和散點圖等。2數(shù)據(jù)處理和結果數(shù)據(jù)的離線分析過程由以下幾步組成。第1步進行粒子鑒別，用PSD譜可以很圖1二維E2?E粒子分辨譜好地把 X射線引起的計數(shù)從數(shù)據(jù)中刪除。由PSD、E和？E3個譜可以組合成3個二 Fig.1Two2dimensionalE2? E

8、spectrumofidentification particles維分辨譜，能有效地鑒別質(zhì)子和 A粒子。圖E、? E均用道數(shù)表示13分別是E2?E、E2PSD和？ E2PSD譜。）反應A粒子發(fā)射的能譜和角分布第3期 葉邦角等：測量天然鎳（n,x A 195 由圖1可知:在低能端E2?E有較好的分辨,而在高能端由圖2可知E2PSD譜有較 好的分辨,3個二維譜的組合正好能有效地鑒別 p和A粒子。第2步進行本底扣除 每個反應角都有對應的反應譜和本底譜，兩者相減即可得到凈能譜。第3步進行厚 靶譜的數(shù)據(jù)轉換，過程類似于參14考文獻7中的過程，其中dE dX采用 J.F.Ziegler的結果,256-2

9、24192-160912896-6432-PSD16個反應角的雙微分截面。圖4示出反應角為88.3成:一是系統(tǒng)誤差，它由各部分 誤差組成，256224-192160k) 1289664-321 103264PSD2;,取1 P值。圖2二維E2PSD粒子分辨譜Fig.2Two2dime nsio nalE2PSDspectrumofidentification particlesE、PSD均用道數(shù)表示圖3 二維？E2PSD粒子分辨譜Fig.3 Tw o2dimensiona? E2PSDspectrumofidentificationparticlesPSD ? E 均用道數(shù)表示）反應在88.3

10、圖4 natNi（n,x A的雙微分截面Fig.4 Double2differentialcrosssectionsofnat）reactionat88.3 Ni（n,x A196原子能科學技術第33卷由雙微分截面可以得到角分布。為了更清楚地顯示角分布隨出射A粒子能量的變化，把數(shù)據(jù)分成3個能區(qū):37、711和1115MeV（圖5）。圖中的曲線是二階勒 讓德函數(shù)擬合的結果。由圖可見：隨著出射A粒子能量的增加，角分布前傾不十分 明顯,說明在此核反應過程中復合核反應占主導地位。由雙微分截面得到的角度積分A圖。由圖可見：在低中能端，B2626。作為比較，圖中給出美國S1Grim15M.,他們的結果略低

11、于本結果)反應的角分布圖5 natNi(n,x AFig.5 An gulardistributi on sof nat)反應的出射 A粒子能譜圖6 natNi(n,x AFig.6 Energyspectraofemitted A particlefrom nat)reactio nNE./MeVi(n,x A )reactio nNi(n ,xA11MeV; 3 7MeV;A11 15MeV S.M.Grimes的結果；O.Baba的結果；一- 實驗結果；實線 ENDF B26的評價結果60n at)反應的評價結果。表作為比較,表2列出了世界幾個主要評價庫對 58Ni、Ni和Ni(n,x

12、A 17中還給出了 S.Grimes各實驗數(shù)據(jù)及其相互 M.Baba和R.Fischer的實驗結果。各 評價庫、之間都存在一些差異，這有待于更精確的測量予以澄清。表1 natNi(n,x A核反應角度積分截面Table1 Thea ngle-i ntegratedcrosssect ion sofE MeVA4.0 5.05.0 6.06.0 7.07.0 8.08.0 9.09.0 10.01027 cm2? MeV- d E1.89 .344.34 0710.24 3416.46 2+7122.09 34216.96 2.471natNi(n,x Aeaction1027cm2? MeV-

13、 d E12.82 .347.96 (374.60 0562.87 (481.86 (270.36 0091E MeVA10.0 11.011.0 12.012.0 13.013.0 14.014.0 15.015.0 16.0)反應A粒子發(fā)射的能譜和角分布第3期葉邦角等：測量天然鎳(n,x A 197表2 A粒子發(fā)射總截面比較Table2 Comparis onofthe A particleemissi on crosssect ions評價庫或測量組ENDF B26JENDL23BROND22CENDL22S.GrimesM.BabaR.Fischer69 31027612581027P

14、 cm2)Ni( n,x A 113.12102.98161.8760)Ni( n,x A 68.9571.3259.61)Ni( n,x A 47.9039.2362)Ni( n,x A 1800.64)Ni( n,x A 5.534.78nat)Ni( n,x A 96.5290.11127.40121.0397 185本工作本工作是在中國核數(shù)據(jù)中心的支持下完成的。作者特別感謝日本東北大學的M.Baba教授提供他們的和美國S.Grimes的實驗數(shù)據(jù)。參考文獻1BabaM.StatusofNeutro nln ducedA 2productio nCrossSectio nData.Proc

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