含硼輕材料屏蔽14.1 MeV中子的實(shí)驗(yàn)研究_圖文

1、第39卷第5期2005年9月原子能科學(xué)技術(shù)Atomic Energy Science and TechnologyVol. 39,No. 5Sep. 2005含硼輕材料屏蔽14. 1Me V 中子的實(shí)驗(yàn)研究郭洪生, 彭太平, 何錫鈞, 陳法新, 馮春(中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所, 四川綿陽(yáng)621900摘要:在零功率堆中子衰變常數(shù)(常數(shù) 瞬態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí), 必須進(jìn)行本底中子的屏蔽。利用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法, 得到含B 4C 聚乙烯對(duì)D 2T 中子的屏蔽效果, 并在此基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了探測(cè)屏蔽系統(tǒng)用于常數(shù)的瞬態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)值相符, 測(cè)量數(shù)據(jù)的信噪比與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。關(guān)

2、鍵詞:中子衰變常數(shù); 屏蔽效果; 含B 4C 聚乙烯中圖分類(lèi)號(hào):TL811文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10002(2005 0522R adiation 2Shielding E ffects of 4(2n N eutronGUO Hong 2sheng , G Tai 2, , CH EN Fa 2xin , FEN G Chun(Chinese A y of P. O. B ox 9192212, Miany ang 621900, China It is to shield t he background neutron during t he measurement s of decay

3、 constant on t he zero power assembly. Based on t he numerical calculationand experiment measurement , t he radiation 2shielding effect s of t he B 4C +(C H 2 n mate 2rial to D 2T neut ron are gained. U sing t he result s , detecting shielding system was de 2signed for measuring t he prompt neut ron

4、 decay constant of t he zero 2power assembly. The measurement result is agree wit h t he design value. The signal 2to 2noise ratio (91 of t he neut ron decay constant is similar to t he numerical calculation (7. 51 . K ey w ords :neut ron decay constant ; radiation 2shielding effect s ; B 4C +(CH 2

5、n material在反應(yīng)堆物理中, 零功率堆瞬發(fā)中子衰減常數(shù)是一重要物理參數(shù), 該參數(shù)是表征反應(yīng)堆中子輻射場(chǎng)強(qiáng)度的特征參量。測(cè)量該參數(shù)的法、方法有方差平均比方法、Rossi 2零幾率法、252時(shí)間間隔分布法、Cf 隨機(jī)脈沖源法等。設(shè)零功率堆系統(tǒng)的增殖系數(shù)為k (k <1 , 脈沖中子是1個(gè)14. 1MeV 高能中子源, 強(qiáng)度(矩形中子源 , 則堆內(nèi)中子為S 0、脈沖寬度為數(shù)隨時(shí)間的變化為:(t =n (t +S d t(1(t 是有效中子源強(qiáng)(s -1 , 當(dāng)0t 式中:S (t =S (t =0; S 時(shí), S 0, 當(dāng)t >時(shí), S 0是矩形中子源強(qiáng)。區(qū)間內(nèi), 式(1 變?yōu)?

6、在0t =n (t +S 0d t(2邊界條件為n (t |t =0=0。收稿日期:2004201202; 修回日期:2004208201, 男, 福建上杭人, 副研究員, 核輻射脈沖測(cè)量技術(shù)專(zhuān)業(yè)作者簡(jiǎn)介:郭洪生(1961第5期郭洪生等:含硼輕材料屏蔽14. 1MeV 中子的實(shí)驗(yàn)研究475解式(2 得:n (t =(e -1(3為負(fù)值, 上式變?yōu)?對(duì)于零功率堆,n (t =|(1-e -| |(4處 的直照中子、散射中子和記錄信號(hào)強(qiáng)度分別為3. 5×1012、1. 4×1012、6×109cm -2s -1?？梢?jiàn), 如果不作屏蔽, 外中子本底則比測(cè)量信號(hào)高3個(gè)數(shù)量

7、級(jí)。為了更好地設(shè)計(jì)屏蔽體, 采用粒子輸運(yùn)方法結(jié)合Monte 2Carlo 計(jì)算來(lái)指導(dǎo)探測(cè)屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工1。探測(cè)屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般都會(huì)涉及到粒子輸運(yùn)問(wèn)題, 通常采用Monte 2Carlo 方法計(jì)算。計(jì)算屏蔽時(shí), 作如下考慮:1 僅有外源(14MeV 點(diǎn)源 時(shí), 考慮各散射體對(duì)探測(cè)器的影響; 2 將裝置產(chǎn)生的次級(jí)光子設(shè)為1MeV 穩(wěn)態(tài)源, 保守計(jì)算其影響;3 裝置作為體源, 便于考慮自身材料對(duì)裂變譜的影響。1 。在t >區(qū)間內(nèi), 式(1 變?yōu)?=n (t d t(1-e -| n (t |t =|解式(6 得:n (t =|(1-e -| e -|=|(5 (6|t(1-e -| e

8、-|(7式中:F 為脈沖中子源的中子等效為堆內(nèi)裂變中子的系數(shù)。從以上分析可看出, 進(jìn)行量, 時(shí)間譜, 量, 。強(qiáng)中子源, 若堆裝置產(chǎn)生的散射中子比射線強(qiáng), 不采取屏蔽措施, 本底則遠(yuǎn)高于信號(hào), 將無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。因此, 必須對(duì)本底采取屏蔽措施。圖1探測(cè)屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig. 1Setup of detecting shielding system1屏蔽體的計(jì)算與加工一般情況下, 測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的中子時(shí), 用重介質(zhì)鉛、鎢等材料來(lái)屏蔽射線。選擇適當(dāng)厚度的屏蔽介質(zhì), 可以達(dá)到較好的屏蔽效果。鎢的屏蔽效果一般比鉛的好, 但鎢的價(jià)格昂貴, 鉛是比較理想的屏蔽射線的介質(zhì)。測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的射線能譜時(shí), 用含氫的輕介質(zhì)

9、, 如聚乙烯來(lái)屏蔽中子, 可以達(dá)到比較好的屏蔽效果。計(jì)算聚乙烯的微觀總截面時(shí), 必須考慮碳的貢獻(xiàn)。111基本情況實(shí)驗(yàn)所用中子源參數(shù)如下:每脈沖中子總數(shù)為1010; 中子波形半高寬(FW HM 為25s ;均勻分布。因此, 峰值中子強(qiáng)度角分布為4I 0=4×1017112屏蔽體的加工如圖1所示, 探測(cè)屏蔽系統(tǒng)主要由聚乙烯、含硼聚乙烯和鉛組成, 中間是探測(cè)器(<112mm , 探測(cè)器外包1層30mm 厚的鉛, 用于屏蔽散射射線和聚乙烯吸收中子產(chǎn)生的射線, 屏蔽鉛的外層是厚100mm 的含硼聚乙烯, 含硼聚乙烯的外層是厚200mm 的聚乙烯, 用于屏蔽散射中子。含硼聚乙烯是一種相對(duì)廉

10、價(jià)的中子屏蔽材料, 通過(guò)研究不同含硼量的聚乙烯對(duì)14MeV 中子的屏蔽性能, 可合理地設(shè)計(jì)探測(cè)屏蔽系統(tǒng)。2屏蔽實(shí)驗(yàn)含硼聚乙烯實(shí)驗(yàn)樣品是由不同比例的B 4C 和(CH 2 n 粉末制成的球殼系統(tǒng)。3種含硼聚乙烯球中B 4C 的質(zhì)量百分比分別為0、10%和50%, 相應(yīng)于吸收/慢化原子比為0、3. 6%和s 。外源與零功率堆相距60cm ,零功率堆與探測(cè)器相距60cm , 二者夾角135°。經(jīng)計(jì)算1, 距零功率堆60cm 處(探測(cè)器布放47623. 7%, 其平均密度分別是(0. 802±0. 016 、(0. 856±0. 017 和(1. 26±0. 0

11、3 g/cm 3。原子能科學(xué)技術(shù)第39卷實(shí)驗(yàn)在200kV ns 加速器上進(jìn)行, 用T (d , n 反應(yīng)提供14MeV 中子源。T 靶位于聚乙烯球的球心, 探測(cè)器放在與D 束成18°的方向上, 距靶心36cm 。實(shí)驗(yàn)采用ST 2401閃爍體加Philip s2262B 型光電倍增管組成的快中子探測(cè)器和BF 3正比計(jì)數(shù)管, 分別測(cè)量3種含量、3種厚度共9個(gè)聚乙烯球的泄漏中子, 計(jì)算9個(gè)球體對(duì)14MeV 中子的積分泄漏率。由積分泄漏率隨質(zhì)量厚度的變化可得出3種含硼聚乙烯單位質(zhì)量的分出截面。分出截面的定義為:(10 -L 式中:L 是質(zhì)量厚度,g/cm 2; T 是積分泄漏率;2/是單位質(zhì)

12、量的分出截面,cm /g 。對(duì)應(yīng)于不同的T , 取不同的積分下限, 得到不同能量下閾的的分出截面。表1列出了3種聚乙烯在4個(gè)能閾下的分出截面。表1各種含硼聚乙烯的分出截面T able 1Fragile cross 2section of different kinds of (CH 2 n m aterial能量閾/MeV>10>7>1>20分出截面/(cm 2g -1(CH 2n(CH 2 n +%B4C 820. ±0. 0103771±0. 00145( %B4C ±560. 04546±0. 000610. 03147&#

13、177;0. 000940. 02613±0. 000690. 07665±0. 001050. 06443±0. 000860. 04182±0. 26±0. , MeV 時(shí), 純4C 聚乙烯的分出截面基本相同。, 含10%B4C 聚乙烯逐漸顯示出比純聚乙烯略好的屏蔽結(jié)果, 這是硼的吸收所致。但在測(cè)量的能量范圍內(nèi), 硼的吸收截面較小, 對(duì)于14MeV 中子, 主要還是氫起慢化作用。所以, 含50%B4C 聚乙烯的分出截面最小, 對(duì)相同的質(zhì)量厚度, 它的屏蔽性最差。另一方面, 含50%B4C 聚乙烯的密度高, 對(duì)相同的線性厚度, 它對(duì)中子的衰減最大。底; B 2為外中子源產(chǎn)生的散射中子本底, 外中子源及零功率裝置中子的強(qiáng)度相對(duì)于光子強(qiáng)度歸一。經(jīng)計(jì)算, I =1. 6×10-7MeV/g , B 1=8. 4×10-9MeV/g , B 2=1. 3×10-8MeV/g 。故其信噪比為7. 5。采用圖1所示的探測(cè)屏蔽系統(tǒng), 在零功率堆上進(jìn)行了有外源激勵(lì)下的瞬態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)好的探測(cè)系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和記錄系統(tǒng), 進(jìn)行了中子散射實(shí)驗(yàn)、內(nèi)本底實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。測(cè)得=-4. 9s -1, 與系統(tǒng)設(shè)計(jì)值=-5s -1相符, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與靜態(tài)測(cè)量方法(如Ro ssi 2法, 25