中子—核作用截面的實驗測量

1、中子核作用截面的實驗測量一、核數(shù)據庫1.1核數(shù)據庫介紹核數(shù)據是不可缺少的重要科學數(shù)據，在基礎科研、國防建設、國民經濟的很多方面發(fā)揮著越來越重要的作用。目前國際上許多核國家都十分重視核數(shù)據的測量和評價工作。經過幾十年的艱苦努力，相繼建立起并不斷完善的核數(shù)據庫。核數(shù)據庫可以分為兩大類，一類是核與其他核或射線發(fā)生相互作用的數(shù)據，稱作核反應數(shù)據；第二類是單個核的性質的數(shù)據，稱作核結構和放射性衰變數(shù)據。對于中子核數(shù)據是核反應數(shù)據的一部分，此外光核反應數(shù)據、帶電粒子反應數(shù)據都是核反應數(shù)據。1.2核數(shù)據庫應用領域早期核數(shù)據的運用主要在核反應裝置的應用方面。隨著科技的發(fā)展，對核數(shù)據運用領域也在不斷擴大，于此同

2、時對核數(shù)據的全面以及精度要求越來越高。目前其運用的領域主要有：（1） 裂變、聚變反應堆設計；（2） 加速器設計；（3） 輻射防護設計；（4） 核醫(yī)學；（5） 地質探測；（6） 環(huán)境監(jiān)測；（7） 核天體研究等等。對于反應堆設計而言，可以通過中子評價核數(shù)據來對設計的反應堆的某些參數(shù)進行模擬計算，如有效增值系數(shù)、相對功率分布等量，通過最終的模擬計算結果來衡量設計的合適與否，在此基礎上進行一定的優(yōu)化，最終實現(xiàn)各方面綜合最優(yōu)化。1.3核數(shù)據獲取方法核數(shù)據獲取方法主要有兩種：實驗測量法和理論計算法。實驗法是目前核數(shù)據的主要來源，通過實驗測量具有一定的客觀性，但是實驗測量方法存在各種問題：(1)核數(shù)據數(shù)據量

3、大，實驗工作量大；（2）實驗費用過高；（3）有許多實驗要求苛刻無法完成。因為實驗方法存在一定的問題，所以主要的數(shù)據由實驗來完成，次要的由理論計算完成?，F(xiàn)如今計算機的發(fā)展已經可以滿足一些模擬計算的需求，通過計算機可以省時、經濟的完成一些數(shù)據的獲取。兩種方法之間，實驗為主，理論計算為輔。實驗方法離不開理論計算，理論計算可以填補一些目前實驗存在的空白，還可以指導實驗數(shù)據的選取和評價。對模擬計算方法而言，其輸入的數(shù)據必須是已經成熟的核數(shù)據，而這些數(shù)據來源于實驗的測量，所以兩者缺一不可。1.4評價核數(shù)據庫1.4.1評價數(shù)據庫介紹實驗測量與模擬計算都需要借助于已有的核數(shù)據，而這些已有的數(shù)據之間存在著一定的

4、差別，如何更好的集中統(tǒng)一以及正確利用這些數(shù)據，則形成了評價核數(shù)據庫。核數(shù)據庫就是由核物理專家通過大量的編纂（收集、整理、鑒定、理論處理等）和評價（分析、比較、鑒定和理論處理等）工作，甚至還需要通過一系列的積分實驗與理論計算得到的結果進行比較來檢驗這些數(shù)據的可靠性、自洽性與精確性，最后得到全套的數(shù)據存入庫中以方便用戶使用。1.4.2國際幾大核數(shù)據中心自上世紀60年代以來，國際上先處理的4個核數(shù)據中心，并建立和發(fā)展了各自的評價評價數(shù)據庫，這四個分別是：國際原子能機構的核數(shù)據科（IAEA-NDS）、美國國家核數(shù)據中心（NNDC）、歐共體核能數(shù)據中心（OECD）、俄羅斯核數(shù)據中心（CJD）。繼而，日、

5、德、中國等國相繼建立了自己的評價數(shù)據庫。表1.1 國際主要評價中子數(shù)據庫核數(shù)據中心中子評價數(shù)據庫最新更新時間IAEA-NDSFENDL/E-2.02014中國CNDCCENDL-3.12009歐洲OECDJEFF-3.22014美國NNDCENDF/B-VII.12013日本JANDCJENDL-4.02012俄羅斯CJDBROND-2.220101.5核數(shù)據的獲取核數(shù)據的獲取一般主要有以下幾種：第一，查有關的核數(shù)據手冊，通常各大評價數(shù)據庫都會出版評價數(shù)據冊，方便用戶查詢；第二，查詢相關的期刊，國際上一些著名的期刊或者國際會議文集會收錄最新的核數(shù)據；第三，借助互聯(lián)網進行檢索，大部分評價數(shù)據庫都

6、有自己專門的網站，在這些網站不僅可以檢索到自身的數(shù)據庫，還能獲取其他核數(shù)據庫的數(shù)據。主要的評價數(shù)據庫所對應的網址分別如表1.2。表1.2 主要評價核數(shù)據庫對應的網址核數(shù)據中心網址IAEA-NDS/美國NNDC/歐洲OECD/俄羅斯CJDhttp:/www.ippe.obninsk.ru/二、中子核作用截面的實驗方法2.1透射法透射法就是通過直接測量入射粒子經過一定厚度的靶后的透射粒子的數(shù)目來計算中子與核作用的反應截面。2.1.1方法原理當一束強度為的中子打在厚

7、度為t的樣品上，樣品中單位體積的核數(shù)目為N。因為中子與樣品發(fā)生核反應和彈性散射，造成中子在束流方向上強度衰減，衰減的程度直接與中子的截面有關。如圖2.1，假設在樣品厚度為處的，中子束的強度為，在處中子束的強度變?yōu)?所以應該正比于處，中子束的強度為和單位面積上的樣品核數(shù)目，可以寫成： （2-1）上式，就是中子與樣品靶核作用的全截面。經過厚度t的樣品后的中子強度與初始中子的強度之比可以定義為透射率，可以將公式2-1進行積分，得： （2-2） 從而可以得到總截面為： （2-3）由此，可以在已知的樣品的厚度和樣品中單位體積的核數(shù)目，用中子探測器在有樣品和無樣品兩種情況下對中子束進行測量，來得到透射率，

8、從而可以得到全截面的數(shù)值。圖2.1 中子束通過樣品衰減示意圖2.1.2實驗條件圖2.2是利用全透射法測量全截面的典型幾何。在試驗中，對中子源，樣品和探測器的大小都有一定的要求。在中子源方面，要求中子束的強度具有穩(wěn)定性，而且要就具有合適的入射中子的能量范圍。原始的通過低能加速器來測量，但是加速器狀態(tài)相對穩(wěn)定性較差，而且需要不斷調整中子的能量。但隨著其他加速器的發(fā)展，使得產生白光源具有最佳的應用價值。在樣品的大小和位置的選擇上，使得探測器的不能直接檢測到沒有通過樣品的中子，即為“好幾何”條件，在此種情況下中子源與樣品距離和樣品與探測器距離的關系如下： （2-4）圖2.2 全截面測量的實驗幾何2.1

9、.3實驗修正在實際的實驗過程中存在著大量因素，影響著結果的準確性。對一些主要的影響因素需要對其進行適當?shù)男拚Ｖ饕枰拚囊蛩匾约靶拚椒ㄈ缦拢?） 本底對于絕大部分實驗，都存在著環(huán)境本底。在探測器周圍中或多或少的存在一些的不是來自中子束的中子，這些中子會嚴重影響中子的準確性，所以減小環(huán)境本底的影響是必要的。目前普遍采用的降低環(huán)境本底的方法是：選擇中子截面大的材料做成一個錐體，放在中子源與探測器之間，錐體的長度要使得中子束通過錐體的透射率為零。關于擺放位置遵守的原則是中子源、樣品和探測器同軸，且樣品陰影正好遮住探測器的前端面。這樣下，探測器探測到的僅是來自周圍環(huán)境物質中散射的中子，用表示本底

10、計數(shù)率，那么實驗測量到的透射率為： （2-5）2） 內散射探測器探測到的中子來自兩個部分，一是透射的中子，主要的；二是源中子與樣品核發(fā)生彈性碰撞并在零度角附近散射的中子，影響了中子透射率。而在實驗上無法將散射出的中子區(qū)分開來，只能通過估算來修正，則內散射的中子強度為： （2-6）上式中，：中子源在樣品方向的單位時間單位立體角內發(fā)射的中子數(shù)；：彈性散射在零度角附近的微分截面；:樣品中單位體積內的核數(shù)目；：樣品暴露在源中子的面積；上式假設的是樣品中不存在多次散射的可能，就可以通過該式來估算內散射的影響。3） 多普勒效應靶核的熱運動隨著溫度的增加而增強，所以共振峰的寬度將隨著溫度的上升而增加，同時峰

11、值截面也逐漸減小，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應。雖然溫度的變化，共振截面峰值雖然發(fā)生變化，但是曲線下面的面積卻與溫度無關。但是這不是意味著共振吸收的中子數(shù)與介質溫度無關。因為被共振吸收的中子數(shù)一方面取決于吸收截面的大小，另一方面，還與中子通量密度能譜分布有關，而當溫度發(fā)生變化時中子通量密度的能譜也發(fā)生變化。所以在中子截面測量的過程中，需要保持溫度的穩(wěn)定性。通過以上的修正可以很好的降低誤差，當然也存在一些其他因素，如共振自屏蔽效應等。將修正的數(shù)值帶入式2-3中，可以得到修正后的全截面為： （2-7）2.1.4運用范圍在透射法中不需要考慮中子與樣品發(fā)生的核反應，主要測量透過樣品后的中子數(shù)，所以該種方法只

12、能運用在中子與核反應的總截面的測量上。這種方法的優(yōu)點是不需要絕對測量中子的注量率，因而不需要絕對的去刻度探測器效率，僅需要測量注量率的比值，所以測量精度比較高。目前該種方法技術比較成熟，絕大部分的全截面數(shù)據都是通過該種方法來測量的。2.2飛行時間法2.2.1方法原理目前沒有一種方法，可以直接測量中子的能量，但是可以通過測量中子的速度來解決這個問題。中子速度是通過測量中子穿過一定的距離所需要的時間來得到的，中子能量為： （2-8）則： （2-9）如果中子能量在30Mev以下，則可以忽略相對論影響，而中子的質量是一定的，可以直接測量出來，那么最終可以化簡為： (2-10)2.2.2實驗條件要想獲得

13、中子的飛行時間，需要精確的測量中子的起飛時間和到達時間，到達時間可以中子探測器直接給出，起飛時間的確定方法有：伴隨粒子法、加速器脈沖調制法、雙閃爍體法等。伴隨粒子法是指隨著中子的產生，在過程中伴隨著產生一些帶電粒子或者射線，可以通過相對應的探測器來進行監(jiān)測。2.2.3實驗影響因素實驗存在的各種影響因素很多，如環(huán)境本底、角分辨、樣品的幾何大小、刻度等，在這里將不具體分析。在飛行時間法測量中子能量的時候，能量分辨率是飛行時間譜儀的重要衡量指標，在這里能量分辨率由以下公式給出： （2-11）由上式可以看出，能量的不確定想來自三方面：一是飛行距離的不確定，它是由中子源和探測器在中子飛行路徑上的長度貢獻

14、的；二是中子飛行時間的不確定性，它是來自于脈沖束寬度和探測器、電子學系統(tǒng)定時帶來的不確定性；第三項是產生中子源反應的帶電粒子的能量不確定以及靶厚和中子初射角帶給中子的能量分散，所以綜合起來，在實驗過程中要盡量降低三方面的不確定性，這樣才能更好的保障飛行時間譜儀的能量分辨率。2.2.4運用范圍微分截面是指單位時間內入射到某立體角內的粒子數(shù)，它包括彈性散射和非彈性散射和角分布，連續(xù)區(qū)中子能譜和角分布，它主要來自非彈性散射以及其他的出射中子的反應道。測量微分截面的實質在于準確的測量出射中子的能量、角度和數(shù)目，其中關鍵的是能量，所以可以通過飛行時間法來測量中子的微分截面。同樣對于其他的測量中子能量的也

15、可以適當選擇飛行時間法。2.3活化法2.3.1方法原理對于中子引起的反應的截面測量，可以利用探測器測量剩余核B的活度來給出B的數(shù)目，從而可以計算得到中子與樣品發(fā)生核作用的截面，這種方法稱為活化法，所測量的反應截面也可以稱作活化截面。2.3.2實驗條件實驗的過程一般可以分為兩步，首先將制成的樣品放在所需測量的中子場中輻照，然后測量其產物核的活度。在這個過程中，活化截面的測量歸結于中子注量的精確測量和產物核的絕對活度測量。對于中子注量的測量可以利用絕對測量或相對測量，絕對測量法有金活化片法、裂變電離室法、對應的正比計數(shù)管法等，而相對測量方法主要是伴隨粒子法。對產物核的測量，目前高分辨率的高純鍺探測

16、器在產物核的鑒別和特征活性測量的準確性方向都大大優(yōu)于其他方法，所以，在這類實驗中被廣泛應用。2.3.3實驗修正1)與樣品大小相關的修正樣品的大小和厚度引起中子注量率在樣品中衰減、多次反應所以要修正。此項修正與樣品、幾何尺寸、中子能量有關，目前普遍采用的是M-C模擬計算修正。同時還有就是射線在樣品中自吸收問題，對于這個問題的修正方法是：測量通過不同厚度的活性，繪制自吸收曲線，然后外推到零厚度得到此項修正系數(shù)。2) 與中子源相關的修正理想的狀態(tài)下，希望樣品放在單能的中子場中輻照，但是因為多種原因導致無法達到該目標，主要存在的問題有：A.源中子被靶材料以及周圍物質散射，有可能打到輻照樣品上；B.帶電

17、粒子與靶的阻止層或者氣體靶的窗發(fā)生反應產生中子反應；C.在用反應中子源時，為反應的氘會與沉積在靶的阻止層不同深度的氚核發(fā)生作用產生中子，這些中子能量比較低；D.在8-13Mev中子能區(qū)，目前常用的中子源都伴隨有來自破裂反應的低能中子。對于不同的原因，有不同的修正方法，對于A原因主要利用的蒙特卡洛算法計算進行修正；對于因素B和C主要采用的是不含有中子物質的靶核，在其他條件不變的情況下進行測量作為本底值；對于因素D，需要進行一定的實驗進行修正，在必要的時候，需要實驗測量樣品處中子能譜并對本底中子進行修正。在許多情況下，也可以利用反應生成的粒子來確定產物核的數(shù)目，對于粒子的探測，閃爍計數(shù)儀是普遍常用

18、的裝置。2.3.4運用范圍活化法的測量條件簡單、實驗周期相對比較短、精度高，通過這種方法已經獲得大量的活化截面數(shù)據，為理論模型的檢驗提供了重要的數(shù)據基礎。但是這種方法存在著一定的局限性的：第一，要求產生核必須具有放射性，便于探測器測量；第二，對于具有相同的產物核而不同的反應道，該種方法是不能分辨出來的。所以測量中子截面時要根據其局限性有選擇性的使用活化法。三、實驗實例截面3.1反應截面簡述3.1.1衰變簡述發(fā)生中子俘獲反應生成基態(tài)或者是激發(fā)態(tài)，其主要的衰變鏈如下圖3.1。圖3.1 衰變鏈示意圖3.1.2常用實驗方法1）活化法俘獲中子生成后，在較短的時間內，很快衰變成，而幾乎不衰變。這時稱取部分

19、樣品，經放化流程分離提純出(鋦)，并用能譜法測得的含量，再根據的衰變分支比推算出的生成量。將剩余樣品保存數(shù)年，此時由生成的已全部衰變成，而通過遞次衰變生成，該衰變鏈處于長期平衡，此時，樣品中的基本是來自于，這時再經放化分離提純并測量樣品的含量，即可推算出輻照結束時刻的生成量。由先后兩次分別測得的結果可計算反應分支比。中子能量大于1Mev的截面測量幾乎都是采用活化法，但是其測量時間長、要求中子源強度大、樣品用量多、依賴半衰期和衰變分支比的精確性。當樣品用量較多時，會給樣品制備和處理帶來一些問題，所以除了熱中子能點以外，在其它能點，由于中子源弱，難以采用活化法進行。2）瞬發(fā)法已有的利用瞬發(fā)法測量技

20、術中，主要使用的全吸收技術和總能量探測器技術。全吸收技術的特點是所使用的探測器幾乎能100%吸收俘獲輻射的全部射線?？偰芰刻綔y器技術的特點是探測器對射線的探測效率是與射線的能量成正比。兩種技術各有優(yōu)缺點，全吸收型探測器采用多晶體模塊構成，晶體材料為無機閃爍體，具有良好的能量分辨特性，有效的扣除本底事件。該技術對測量高放射性但樣品量少的同位素樣品而言是比較理想的選擇。總能量探測器的材料通常為有機閃爍體能量分辨低，光電峰效率幾乎為零，因此本底分離很困難，需要仔細考慮并扣除。只有當同位素樣品的中子彈性散射截面要比俘獲截面大很多時，該技術測量的優(yōu)勢才比較明顯。在這種情況下，來自樣品或周圍材料上產生的大

21、量散射中子進入探測器后會產生很高的本底，甚至產生截面的共振結構進而導致共振參數(shù)測量不準確。3.1.3截面測量數(shù)據通過檢索EXFOR數(shù)據庫中相關的實驗測量截面數(shù)據，繪出不同的評價數(shù)據庫和不同實驗的截面數(shù)據圖，即圖3.2。同時對不同的權威的實驗的實驗裝置、實驗方法等相關描述進行了總結，結果見表3.1。圖3.2中子俘獲評價截面數(shù)據和EXFOR實驗測量截面對比圖表3.1 中子俘獲EXFOR數(shù)據實驗情況由圖3.2可以可看出不同的評價數(shù)據庫的截面數(shù)據存在著一定的誤差，同樣不同實驗因為所采用的實驗裝備、條件等差異導致最終測量數(shù)據差別很大。在表3.1中對于不同的實驗采用的探測器都是閃爍體探測器，這個主要是因為

22、閃爍體探測器的探測效率比較高，可以準確測定中子射線的強度。下文將針對2008年的Jandel實驗進行簡要介紹。3.2Jandel實驗3.2.1 DANCEDANCE坐落于Los Alamos(洛斯阿拉莫斯實驗室)中子科學中心，它由160個晶體組成一個4幾何結構，每一個晶體深15cm，體積約734cm3。該設備利用大立體角可以準確測量中子與中子俘獲反應釋放出的射線，探測效率大于95%。同時利用晶體不怕潮解、折射率解決玻璃、使用方便存在，時間分辨率高有利于飛行時間的測量。目前國際上的全吸收型4晶體探測器有：DANCE(Los Alamos)、Karlsruhe 4BaF2(德國的Institute

23、 fr Kernphysik Hauptabteilung Ingenieurtechnil實驗室)、TAC(歐洲核子研究中心n_TOF上的)。圖3.3 DANCE探測器外部結構圖圖3.4 TAC探測裝置3.2.2中子源實驗中所用的中子源是利用的是實驗室的質子加速器來完成的，其主要產生過程示意圖見圖3.5。首先是質子經過質子直線加速器的加速能量達到800Mev時候，轟擊鎢靶，發(fā)生散裂反應，生成大量的中子，接著經過準直器作用產生具有良好方向性的中子源。在該裝置中可以根據需要，對快中子進行適當慢化，慢化劑為睡。本實驗中中子能量跨度比較大，為。圖3.5 中子源產生裝置示意圖3.2.3中子束監(jiān)測器在DANCE探測器上，中子束檢測器主要有三個，其信息主要如下表。表3.2 中子束探測器概況