γ射線對(duì)1.5MeV以下中子能譜測(cè)量的影響,核物理論文

γ射線對(duì)1.5MeV以下中子能譜測(cè)量的影響,核物理論文中子能譜是中子學(xué)積分實(shí)驗(yàn)的重要參數(shù),在檢驗(yàn)程序和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)及分析中子在物質(zhì)中的輸運(yùn)行為上具有反響道齊全、顯示直接、易于觀察分析、結(jié)論明確等優(yōu)點(diǎn)。在中子積分實(shí)驗(yàn)中,為獲取14MeV中子與裂變材料作用后介質(zhì)內(nèi)50keV~1.5MeV中子能譜數(shù)據(jù),將50keV~1.5MeV分段,采用不同氣壓的球形含氫正比計(jì)數(shù)管進(jìn)行測(cè)量,計(jì)數(shù)管的形狀采用球形是考慮到介質(zhì)內(nèi)不同方向入射的中子在計(jì)數(shù)管內(nèi)具有一樣的響應(yīng)和效率。中子與裂變材料作用后其輻射包括:初級(jí)和次級(jí)中子的非彈性散射引起的輻射[1]、熱中子輻射俘獲[2]以及裂變瞬發(fā)輻射[3]和裂變子核的緩發(fā)輻射[4-5]、本身的輻射[6]等,因而其介質(zhì)內(nèi)的射線非常強(qiáng),當(dāng)用球形含氫正比計(jì)數(shù)管測(cè)量裂變材料介質(zhì)內(nèi)中子能譜時(shí),由于射線與計(jì)數(shù)管管壁及管內(nèi)氣體作用產(chǎn)生次級(jí)電子,電子沉積的能量會(huì)對(duì)低能部分能譜產(chǎn)生奉獻(xiàn)[7],射線越強(qiáng),奉獻(xiàn)越大,最終導(dǎo)致中子的反沖質(zhì)子譜變形,由此解出來(lái)的中子能譜是不正確的,因而需考慮強(qiáng)射線對(duì)中子測(cè)量的影響。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合模擬計(jì)算的方式分析射線對(duì)1.5MeV下面中子能譜測(cè)量的影響,并提出解決這一影響的方式方法。1、射線影響分析1.1球形含氫正比計(jì)數(shù)管工作原理及構(gòu)造球形含氫正比計(jì)數(shù)管由一個(gè)細(xì)中心絲陽(yáng)極和一個(gè)與它同軸的球殼形陰極所組成,內(nèi)充特定成份的氣體[8]。當(dāng)射線通過(guò)計(jì)數(shù)管內(nèi)的氣體時(shí),與氣體分子發(fā)生電離作用,構(gòu)成的電子和正離子在電場(chǎng)作用下分別向陽(yáng)極和陰極漂移。正離子由于質(zhì)量大,漂移的電場(chǎng)方向是由強(qiáng)到弱,因而不再電離氣體,而電子漂移的電場(chǎng)方向是由弱到強(qiáng),進(jìn)入雪崩區(qū),電子在一個(gè)碰撞自由程內(nèi)獲得的能量足夠大,將產(chǎn)生新的電子和正離子對(duì),不斷重復(fù)這樣的經(jīng)過(guò),就會(huì)產(chǎn)生大量的電子和正離子,所有這些新產(chǎn)生的電子離子對(duì)一般為原電離的幾百上千倍,即氣體放大。電子離子對(duì)向正負(fù)極漂移經(jīng)過(guò)中,由收集電極感生脈沖信號(hào),其形狀和持續(xù)時(shí)間與氣體性質(zhì)、氣壓、負(fù)載電阻及系統(tǒng)總電容有關(guān),而脈沖的幅度與原電離成正比而與原電離發(fā)生的位置無(wú)關(guān)。這些代表原電離信息的脈沖信號(hào)經(jīng)后續(xù)電子學(xué)線路放大成形后由多道分析器記錄。實(shí)驗(yàn)采用的球形含氫正比計(jì)數(shù)管構(gòu)造如此圖1所示,內(nèi)半徑15mm,外半徑16mm,內(nèi)充氫氣,華而不實(shí)混有極少量的多原子氣體,起到抑制光電子及抑制正離子在陰極的二次電子發(fā)射的作用,外殼為304不銹鋼,陽(yáng)極絲為鍍金鎢絲,半徑為0.125mm,鎢絲純度為99.99%,鎢絲直徑部均勻度誤差低于1%。管內(nèi)氣體原子序數(shù)低,對(duì)射線吸收少,含氫正比管對(duì)射線的響應(yīng)主要是由于射線與含氫正比計(jì)數(shù)管的金屬外殼作用產(chǎn)生次級(jí)電子(光電子、康普頓反沖電子或正負(fù)電子對(duì)),這些電子將在含氫正比計(jì)數(shù)管內(nèi)電離氣體產(chǎn)生信號(hào)。1.2射線在球形含氫正比計(jì)數(shù)管中的響應(yīng)射線在含氫正比計(jì)數(shù)管中的能量響應(yīng)采用MCNP5蒙特卡羅程序進(jìn)行模擬。模擬中將圖1所示含氫正比計(jì)數(shù)管近似為球殼,球殼內(nèi)半徑15mm,外半徑16mm,外殼材料為鎳、鉻、鐵的合金,對(duì)應(yīng)的原子組成比為0.08∶0.18∶0.74;管內(nèi)氣體設(shè)定為純氫氣,壓強(qiáng)1MPa,忽略少量多原子氣體;陽(yáng)極絲體積極小,忽略不計(jì);源近似為點(diǎn)源,與計(jì)數(shù)管中心的距離為5cm;分別選用137Cs的0.662MeV以及60Co的1.173MeV和1.332MeV這兩組能量。為驗(yàn)證模擬的可靠性,從實(shí)驗(yàn)上對(duì)137Cs和60Co兩個(gè)放射源分別進(jìn)行了測(cè)量,華而不實(shí),137Cs源活度為33kBq,不確定度3%,60Co源活度為10kBq,不確定度3%。源與含氫正比計(jì)數(shù)管中心距離5cm。從實(shí)驗(yàn)譜和計(jì)算譜(圖2)能夠看出,射線的能量沉積主要集中在低能段,譜中未出現(xiàn)全能峰和康普頓邊緣,且幅度隨能量的增加急劇下降,與50keV處強(qiáng)度相比,100keV處強(qiáng)度下降了約2個(gè)量級(jí),150keV處強(qiáng)度甚至下降了約3個(gè)數(shù)量級(jí),這講明射線與含氫正比計(jì)數(shù)管外殼及管內(nèi)氣體作用產(chǎn)生的電子(光電子、康普頓反沖電子或電子對(duì))在管內(nèi)氣體中的射程遠(yuǎn)大于正比計(jì)數(shù)管的尺寸,因而電子只要一部分能量沉積在管內(nèi)被收集;60Co比137Cs沉積的能量要高一些,講明能量高的射線沉積的能量也高一些。比擬計(jì)算譜和實(shí)驗(yàn)譜,二者符合得比擬好,因而用MCNP5程序模擬射線在含氫正比管中的響應(yīng)是可行的。裂變材料被中子轟擊后,加上本身的放射性,其內(nèi)部射線的能量分布很寬[1-6]。以鈾材料為例,238U經(jīng)一次衰和兩次衰變生成234U,這個(gè)經(jīng)過(guò)放出的射線的能量分布為29.5keV~1.695MeV[6],238U和235U輻射俘獲發(fā)出的射線能量分布在12keV~6.5MeV[2],235U裂變瞬發(fā)能量在0.14~10MeV能量區(qū)間廣泛分布[3],快中子非彈性散射發(fā)射的射線取決于裂變核素激發(fā)能級(jí)和中子能量,238U激發(fā)能級(jí)到達(dá)5.206MeV,235U的激發(fā)能級(jí)到達(dá)4.043MeV[1]。因而,用MCNP5程序?qū)δ芰糠植?0keV~10MeV的射線在含氫正比計(jì)數(shù)管中的響應(yīng)做進(jìn)一步的模擬計(jì)算,結(jié)果如此圖3所示。50keV和100keV的結(jié)果與137Cs源和60Co源的結(jié)果有較大的差異不同,見(jiàn)圖3(a),射線與含氫管金屬外殼作用產(chǎn)生的次級(jí)電子在球形含氫正比管中的入射方向能夠是任意的,顯然,當(dāng)穿過(guò)球心時(shí),能量損失最大,根據(jù)電子能損射程表(表1),50keV電子在1MPa氣壓氫氣中的射程為2.2cm[9]。這講明假如電子徑跡過(guò)球心,50keV的射線產(chǎn)生的光電子在直徑為3.0cm的含氫管中有可能全部損失能量,但是過(guò)球心的幾率總是比擬小的。因而,沉積的能譜表現(xiàn)為50keV處有一些計(jì)數(shù),接近50keV處有較大的計(jì)數(shù),同時(shí)康普頓坪也隱約可見(jiàn)(約8keV,能量低僅記錄一個(gè)點(diǎn));對(duì)于100keV,顯然其光電子的能量不可能全部損失在含氫管中,接近全能峰處計(jì)數(shù)變得很少了,但是康普頓邊緣約28keV,卻清楚明晰可見(jiàn)。隨著入射射線能量的增加,其響應(yīng)與137Cs源和60Co源的結(jié)果有一致的趨勢(shì),見(jiàn)圖3(b),即能量較大的射線產(chǎn)生的次級(jí)電子中,射程大于3.0cm的電子占了大部分,這些電子僅在含氫管中損失部份能量,因而圖3(b)中不再像低能射線一樣出現(xiàn)康普頓坪或全能峰。137Cs源和60Co源的射線實(shí)驗(yàn)以及各個(gè)能量的射線模擬計(jì)算顯示,射線在含氫管中的能量沉積主要集中在100keV附近及下面,超過(guò)150keV已經(jīng)降到能夠忽略的程度,因而當(dāng)測(cè)量50keV~1.5MeV中子能譜時(shí),考慮射線的影響主要集中在50~150keV這個(gè)能段。1.3強(qiáng)Cs源與Am-Be中子源的實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析射線的影響,還需對(duì)射線的強(qiáng)度和中子源強(qiáng)做一個(gè)比擬,含氫正比管對(duì)50keV~1.5MeV這個(gè)能段的中子探測(cè)效率要比對(duì)射線的探測(cè)效率大,因而,假如射線本底很弱,即便射線在100keV附近及下面有較大的能量沉積,也是能夠忽略的。但是在中子場(chǎng)環(huán)境下的裂變材料介質(zhì)內(nèi),與中子強(qiáng)度相比,射線顯然是不可忽略的[2-4,10]。用強(qiáng)度相當(dāng)?shù)纳渚€源137Cs和Am-Be中子源模擬裂變材料內(nèi)部情況,進(jìn)行含氫正比管的測(cè)量實(shí)驗(yàn),以確定射線在50~150keV這個(gè)能段的計(jì)數(shù)強(qiáng)度,華而不實(shí)137Cs源活度約1107Bq,Am-Be中子源強(qiáng)約3106s-1。實(shí)驗(yàn)中首先將兩個(gè)放射源放在固定點(diǎn)位,兩個(gè)放射源到含氫管之間具有一樣的距離,測(cè)量混合源的能譜,之后撤走137Cs源,單獨(dú)測(cè)量Am-Be源。結(jié)果示于圖4。從圖4中兩條曲線的比擬能夠看出,射線的能量響應(yīng)范圍與圖3的結(jié)果一致,137Cs源的存在對(duì)100keV以上中子能譜幾乎無(wú)影響,但是對(duì)于100keV下面,射線已經(jīng)嚴(yán)重干擾了中子譜,射線在這里能段的計(jì)數(shù)甚至比中子反沖質(zhì)子的計(jì)數(shù)強(qiáng)一個(gè)量級(jí)。同樣的,中子場(chǎng)環(huán)境下的裂變材料內(nèi)部,其強(qiáng)射線會(huì)影響到介質(zhì)內(nèi)100keV下面中子能譜的測(cè)量。為了將50~100keV能段的中子能譜測(cè)量準(zhǔn)確,必須采取適宜的方式方法,將射線甄別掉。2、射線甄別含氫正比計(jì)數(shù)管收集的信號(hào)是由于被電離的正負(fù)離子對(duì)在電場(chǎng)的作用下向正負(fù)極漂移而感生的,其幅度僅與原電離數(shù)相關(guān)而與電離發(fā)生的位置無(wú)關(guān),但是持續(xù)時(shí)間卻與該位置有關(guān)。由于正比計(jì)數(shù)管的雪崩區(qū)在陽(yáng)極絲附近很小的區(qū)域,電離的位置距離此處越遠(yuǎn),原電離進(jìn)入雪崩區(qū)需要漂移的時(shí)間越長(zhǎng),那么電荷收集的時(shí)間也越長(zhǎng),表現(xiàn)為信號(hào)上升時(shí)間越長(zhǎng)。如前所述,射線產(chǎn)生的次級(jí)電子在含氫管中的電離幾乎貫穿了整個(gè)靈敏區(qū),其電離徑跡非常長(zhǎng),這就意味著其信號(hào)的上升時(shí)間很長(zhǎng)。相對(duì)于射線,能量為50~150keV的中子在含氫管中產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的電離賴(lài)財(cái)鋒等:射線對(duì)含氫正比計(jì)數(shù)管中子能譜測(cè)量的影響徑跡就比擬短,用SRIM程序計(jì)算不同能量質(zhì)子在1MPa氫氣中的射程(表2),發(fā)現(xiàn)150keV質(zhì)子的電離徑跡長(zhǎng)度僅為0.542mm,講明質(zhì)子信號(hào)的收集時(shí)間比擬短,其上升時(shí)間也比擬短。圖5即為含氫正比計(jì)數(shù)管獲取的典型的中子和信號(hào)波形[11],中子波形集中在很短的時(shí)間,而信號(hào)上升時(shí)間持續(xù)很長(zhǎng),這對(duì)(n,)甄別很便利。圖6是A.M.Shvetsov等[12]用上升時(shí)間法對(duì)圓柱形含氫正比計(jì)數(shù)管測(cè)量252Cf和多種源混合后的(n,)甄別譜,華而不實(shí)縱坐標(biāo)為能量,橫坐標(biāo)為脈沖最大幅值Umax與脈沖前沿最大時(shí)間Tmax的比值,可理解為電荷平均收集速率,中子收集時(shí)間短,電荷平均收集速率大,而射線正好相反,因而(n,)甄別譜中中子峰在峰的后面。對(duì)于球形含氫正比計(jì)數(shù)管,具有一樣的電荷收集特性,因而能夠考慮通過(guò)上升時(shí)間法來(lái)甄別50~150keV中子和信號(hào)。3、結(jié)論實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了用MCNP程序模擬137Cs源和60Co源的射線在含氫正比計(jì)數(shù)管中的響應(yīng)的正確性,并用MCNP程序?qū)?0keV~10MeV的射線在含氫正比計(jì)數(shù)管中的響應(yīng)做進(jìn)一步的模擬。結(jié)果顯示,射線在含氫正比計(jì)數(shù)管中的能量沉積主要集中在100keV附近及下面,當(dāng)測(cè)量50keV~1.5MeV中子能譜時(shí),考慮射線的影響主要集中在50~150keV這個(gè)能段。對(duì)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)腁m-Be中子源和137Cs源的實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示,強(qiáng)137Cs源的射線已